Ав­тор: Еху­да Якар

Гем­мо­ло­ги­че­ские цен­тры AA GIA, GCI

Мно­гие зна­ют, что до сих пор из­вест­ным нам спо­со­бом про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов бы­ла вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная об­ра­бот­ка под вы­со­ким дав­ле­ни­ем. Та­кой спо­соб поз­во­ля­ет по­лу­чать от­дель­ные кри­стал­лы – в ос­нов­ном жел­то­го, го­лу­бо­го или ро­зо­во­го цве­та.

При ис­поль­зо­ва­нии ме­то­да хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния – в плаз­ме (в иони­зи­ро­ван­ных га­зах при низ­ком дав­ле­нии) – мож­но вы­ра­щи­вать син­те­ти­че­ский ал­маз с боль­шой пло­ща­дью по­верх­но­сти, на по­верх­но­сти дру­го­го ма­те­ри­а­ла или с кон­тро­ли­ру­е­мы­ми, за­ра­нее за­дан­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми. Боль­шин­ство ал­ма­зов, вы­ра­щен­ных спо­со­бом хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния, по­лу­ча­ют­ся бес­цвет­ны­ми. Сле­ду­ет пом­нить, что цвет син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за мож­но из­ме­нять вне за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба его из­го­тов­ле­ния. Ес­ли для вы­ра­щи­ва­ния ис­поль­зо­вать кро­шеч­ный кри­сталл-«зер­но», это поз­во­ля­ет уве­ли­чить раз­ме­ры по­лу­ча­е­мо­го ал­ма­за.

Су­ще­ству­ет воз­мож­ность хи­ми­че­ско­го оса­жде­ния ал­ма­зов на раз­лич­ные по­верх­но­сти – ал­ма­за, крем­ния, воль­фра­ма, мо­либ­де­на, кар­би­да крем­ния, нит­ри­да крем­ния, квар­це­во­го стек­ла, твер­дых спла­вов и дру­гих ма­те­ри­а­лов, под­хо­дя­щих в ка­че­стве под­лож­ки. Они долж­ны быть спо­соб­ны вы­дер­жи­вать вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, быть устой­чи­вы­ми к хи­ми­че­ско­му воз­дей­ствию ис­поль­зу­е­мых га­зов и не сплав­лять­ся с уг­ле­ро­дом.

Од­на из фун­да­мен­таль­ных про­блем про­цес­са вы­ра­щи­ва­ния син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за – ал­ло­тро­пия уг­ле­ро­да. Он яв­ля­ет­ся ос­нов­ным хи­ми­че­ским эле­мен­том и мо­жет су­ще­ство­вать в не­сколь­ких раз­лич­ных фор­мах. В нор­маль­ных усло­ви­ях ста­биль­ное тер­мо­ди­на­ми­че­ское со­сто­я­ние уг­ле­ро­да это гра­фит. По этой при­чи­не пер­вей­шая не­об­хо­ди­мость при вы­ра­щи­ва­нии ал­ма­за хи­ми­че­ским па­ро­фаз­ным оса­жде­ни­ем – обес­пе­чить та­кое оса­жде­ние ато­мов уг­ле­ро­да, при ко­то­ром пре­се­ка­ет­ся со­зда­ние ха­рак­тер­ных для гра­фи­та элек­трон­ных свя­зей ти­па sp². Эта цель до­сти­га­ет­ся за счет до­бав­ле­ния до­пол­ни­тель­но­го слоя ато­мов во­до­ро­да и ак­ти­ва­ции про­цес­са вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой или плаз­мой.

Иде­аль­ные усло­вия оса­жде­ния – при­ме­не­ние га­за с 1-про­цент­ным со­дер­жа­ни­ем ме­та­на (так на­зы­ва­е­мый бо­лот­ный газ) в сме­си с во­до­ро­дом в ка­че­стве пер­вич­но­го га­за при тем­пе­ра­ту­ре от 700 до 1000 гра­ду­сов Цель­сия и при дав­ле­нии от 30 до 300 мм ртут­но­го стол­ба (со­став­ля­ет при­мер­но 0,4 ат­мо­сфе­ры).

Брил­ли­ан­ты, об­ра­бо­тан­ные вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой под

Раз­лич­ные спо­со­бы из­го­тов­ле­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов пу­тем хи­ми­че­ско­го оса­жде­ния мо­гут от­ли­чать­ся один от дру­го­го лишь ме­то­дом ак­ти­ва­ции га­зо­об­раз­но­го со­сто­я­ния ве­ще­ства – при по­мо­щи вы­со­ко­ча­стот­ной плаз­мы или за счет на­гре­ва. У всех из них есть свои пре­иму­ще­ства и не­до­стат­ки. Ос­нов­ные от­ли­чия – ско­рость оса­жде­ния ма­те­ри­а­ла, раз­мер пло­ща­ди по­верх­но­сти, на ко­то­рую оса­жда­ет­ся ма­те­ри­ал, и ка­че­ство по­лу­ча­е­мо­го ал­ма­за. Ес­ли за­дать­ся це­лью, то мож­но до­бить­ся ско­ро­сти оса­жде­ния по­чти 1 мм в час, од­на­ко у этой вы­со­кой ско­ро­сти есть свое огра­ни­че­ние: пло­щадь по­верх­но­сти не мо­жет пре­вы­шать 1 кв. см. Кро­ме то­го, по ме­ре уве­ли­че­ния ско­ро­сти оса­жде­ния сни­жа­ет­ся ка­че­ство вы­ра­щи­ва­е­мо­го ал­ма­за. Что­бы по­лу­чить про­зрач­ный ал­маз с вы­со­ким по­ка­за­те­лем теп­ло­про­вод­но­сти, ис­поль­зу­ет­ся ско­рость оса­жде­ния не бо­лее 10 мик­рон в час.

Воз­мож­ные сфе­ры при­ме­не­ни­я

При­об­ре­тая уни­каль­ные ме­ха­ни­че­ские, оп­ти­че­ские, элек­три­че­ские и теп­ло­вые ха­рак­те­ри­сти­ки, син­те­ти­че­ски ал­маз пре­вра­ща­ет­ся в ма­те­ри­ал для со­вер­шен­но но­вых, ра­ди­каль­ных сфер при­ме­не­ния.

Ал­ма­зы, вы­ра­щен­ные спо­со­бом хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния и про­шед­шие мо­ди­фи­ка­цию бо­ром, об­ла­да­ют элек­тро­про­вод­но­стью. Кро­ме то­го, ал­ма­зы пре­крас­но про­во­дят теп­ло и при ис­поль­зо­ва­нии в ка­че­стве элек­три­че­ско­го про­вод­ни­ка не на­гре­ва­ют­ся. Толь­ко пред­ставь­те: од­на­жды мик­ро­схе­мы в на­ших ком­пью­те­рах и мо­биль­ных те­ле­фо­нах за­ме­нят на ма­лень­кие, то­нень­кие ал­маз­ные пла­сти­ны, ко­то­рые бу­дут вы­пол­нять свои за­да­чи с огром­ной ско­ро­стью и эф­фек­тив­но­стью, а на­ши те­ле­фо­ны не бу­дут на­гре­вать­ся, да­же ес­ли мы бу­дем го­во­рить по ним ча­са­ми. Из­ме­нят­ся раз­ме­ры и фор­ма до­маш­них ком­пью­те­ров и но­ут­бу­ков. От­па­дет не­об­хо­ди­мость в си­сте­ме вен­ти­ля­ции и охла­жде­ния ком­пью­те­ров, а про­из­во­ди­тель­ность устройств не­ве­ро­ят­но воз­растет, в том чис­ле ком­пью­тер­ных мик­ро­схем и про­чих элек­трон­ных ком­по­нен­тов. Управ­ле­ние их элек­три­че­ски­ми свой­ства­ми даст воз­мож­ность бо­лее эф­фек­тив­но­го их ис­поль­зо­ва­ния.

Ком­по­нен­ты, вы­пол­нен­ные из син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за, при­ме­ня­ют­ся в вы­со­ко­энер­ге­ти­че­ских фи­зи­че­ских экс­пе­ри­мен­тах, ис­поль­зу­ют­ся в сфе­ре те­ле­ком­му­ни­ка­ций, в рент­ге­но­гра­фии, в ла­зер­ных тех­но­ло­ги­ях. Ал­ма­зы, вы­ра­щен­ные спо­со­бом ХПО, об­ла­да­ют вы­со­кой спо­соб­но­стью про­пус­кать све­то­вое из­лу­че­ние – от уль­тра­фи­о­ле­то­во­го (с ча­сто­той 230 на­но­мет­ров) до ин­фра­крас­но­го. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ет не­боль­шой диа­па­зон длин волн от 2,5 до 6 мик­рон. Это свой­ство от­кры­ва­ет воз­мож­но­сти ис­поль­зо­вать та­кой ма­те­ри­ал во мно­гих сфе­рах про­мыш­лен­но­сти, в том чис­ле и в оп­ти­ке.

Еху­да Якар

На­при­мер, мож­но вы­ра­щи­вать лин­зы с вы­со­кой спо­соб­но­стью про­пус­кать свет и уста­нав­ли­вать в ка­ме­ры, ко­то­рые бу­дут обес­пе­чи­вать вы­со­чай­шее ка­че­ство по­лу­ча­е­мо­го изоб­ра­же­ния. Те­ле­ско­пы и про­чие устрой­ства, пред­на­зна­чен­ные для сбо­ра ин­фор­ма­ции о Все­лен­ной, бу­дут спо­соб­ны обес­пе­чи­вать нас дан­ны­ми, о ко­то­рых се­го­дня не при­хо­дит­ся и меч­тать. Лин­зы для фо­то - и ви­део­ка­мер за счет сво­ей проч­но­сти бу­дут бо­лее дол­го­веч­ны­ми и устой­чи­вы­ми к ца­ра­пи­нам – ведь по­ца­ра­пать их мож­но бу­дет толь­ко ал­ма­зо­м!

Изо­ли­ру­ю­щие элек­трон­ные ве­ще­ства слу­жат в ка­че­стве внеш­не­го ок­на в си­сте­ме вы­со­ко­го дав­ле­ния. Вы­ра­щен­ный спо­со­бом ХПО ал­маз – един­ствен­ный ма­те­ри­ал, под­хо­дя­щий для из­го­тов­ле­ния линз для та­ких окон. Его мож­но ис­поль­зо­вать в ка­че­стве лин­зы в тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции, по­сколь­ку он поз­во­ля­ет про­пус­кать из­лу­че­ние же­ла­е­мой мощ­но­сти, при чем за счет ис­чез­но­ве­ния то­чек вы­со­ко­го на­гре­ва от­па­да­ет не­об­хо­ди­мость в тех­но­ло­ги­ях охла­жде­ния. Уче­ные счи­та­ют тер­мо­ядер­ный син­тез сле­ду­ю­щим по­ко­ле­ни­ем про­из­вод­ства чи­стой воз­об­нов­ля­е­мой энер­гии (хо­тя ка­та­стро­фа в Фо­ку­си­ме не­сколь­ко по­до­рва­ла их ве­ру в ядер­ную энер­гию).

Посколь­ку пу­тем хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния мож­но «на­пы­лять» син­те­ти­че­ский ал­маз на по­верх­но­сти дру­гих ма­те­ри­а­лов, воз­ни­ка­ет воз­мож­ность вос­поль­зо­вать­ся пре­иму­ще­ством ис­клю­чи­тель­ной твер­до­сти ал­ма­за при из­го­тов­ле­нии ме­ха­ни­че­ских устрой­ств. На­при­мер, «ал­маз­ные» дви­га­те­ли бу­дут устой­чи­вы к ца­ра­пи­нам и об­ще­му из­но­су. Уже се­го­дня «ал­маз­ные» дис­ки ис­поль­зу­ют­ся для бу­ре­ния неф­тя­ных и га­зо­вых сква­жин, свер­ле­ния мра­мо­ра и да­же в до­маш­нем хо­зяй­стве, ко­гда при­хо­дит­ся иметь де­ло с бе­то­ном. Рез­цы из ма­те­ри­а­лов, про­шед­ших об­ра­бот­ку спо­со­бом ХПО, обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кую точ­ность и ка­че­ство рез­ки.

При вы­ра­щи­ва­нии ал­ма­зов в кон­тро­ли­ру­е­мых усло­ви­ях по­лу­ча­ет­ся бо­лее од­но­род­ный и чи­стый ма­те­ри­ал по срав­не­нию с при­род­ным ал­ма­зом, и его ха­рак­те­ри­сти­ки пол­но­стью от­ве­ча­ют за­дан­ным зна­че­ни­ям.

Что ка­са­ет­ся эс­те­ти­че­ской цен­но­сти ал­ма­за, то здесь для юве­ли­ров от­кры­ва­ет­ся це­лый мир без­гра­нич­ных воз­мож­но­стей: мож­но по­лу­чать кам­ни ши­ро­ко­го спек­тра цве­тов и от­тен­ков, ре­гу­ли­ро­вать глу­би­ну цве­та, со­зда­вать со­че­та­ю­щи­е­ся друг с дру­гом от­тен­ки по ра­зум­ным це­нам и в те­че­ние до­воль­но быст­ро­го пе­ри­о­да вре­ме­ни.

Ес­ли ко­гда-ни­будь на­сту­пит де­фи­цит пред­ло­же­ния при­род­ных ал­ма­зов или они во­все ис­чез­нут (и­ли их до­бы­ча утра­тит эко­но­ми­че­скую це­ле­со­об­раз­но­сть), по­треб­но­сти и же­ла­ния по­тре­би­те­лей без удо­вле­тво­ре­ния не оста­нут­ся. Го­во­рят, что ал­маз – это на­все­гда. Те­перь мы мо­жем вкли­нить­ся и сде­лать так, что ал­маз бу­дет не толь­ко на­все­гда, но и по-на­сто­я­ще­му веч­ным...

Ка­че­ство ма­те­ри­а­ла

Сле­ду­ет пом­нить, что син­те­ти­че­ские ал­ма­зы, вы­ра­щен­ные спо­со­бом хи­ми­че­ско­го оса­жде­ния, это все те же ал­ма­зы во всех смыс­лах это­го сло­ва. То есть, они со­сто­ят из прак­ти­че­ски чи­стей­ше­го уг­ле­ро­да, и их от­но­си­тель­ная твер­дость по шка­ле Мо­оса рав­на 10. Сле­до­ва­тель­но, при ис­поль­зо­ва­нии их в про­из­вод­стве брил­ли­ан­тов син­те­ти­че­ские ал­ма­зы нуж­но рас­пи­ли­вать и гра­нить так же, как и при­род­ные ал­ма­зы.

Атом­ная мас­са ХПО-ал­ма­зов рав­на 3,52, т.е. все фор­му­лы и рас­че­ты ве­са ни­чем не от­ли­ча­ют­ся. Они об­ла­да­ют хо­ро­шей теп­ло­про­вод­но­стью, так что все стан­дарт­ные ис­сле­до­ва­ния и про­це­ду­ры оцен­ки бу­дут да­вать те же ре­зуль­та­ты, что и у при­род­ных ал­ма­зов. Осмотр ХПО-ал­ма­зов под мик­ро­ско­пом под пря­мым уг­лом к ко­ро­не ре­ша­ю­щих ре­зуль­та­тов не да­ет. Кро­ме то­го, боль­шин­ство ХПО-ал­ма­зов вы­ра­щи­ва­ет­ся с чи­сто­той не ме­нее VS. Все это го­во­рит о том, что от­ли­чить ХПО-ал­маз от при­род­но­го не про­сто, и для это­го по­на­до­бят­ся вы­со­кие зна­ния и очень не­де­ше­вое спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ное обо­ру­до­ва­ние. О зна­ни­ях в сле­ду­ю­щей ста­тье.

ХПО-ал­ма­зы под­ле­жат обя­за­тель­ной клас­си­фи­ка­ции как син­те­ти­че­ские ал­ма­зы, и ин­фор­ма­ция об их про­ис­хож­де­нии долж­на предо­став­лять­ся на каж­дой ста­дии их ре­а­ли­за­ции.

Ожи­да­е­мые пер­спек­ти­вы

Ряд фирм уже тор­гу­ет ал­ма­за­ми юве­лир­но­го ка­че­ства, из­го­тов­лен­ны­ми ме­то­дом ХПО, в том чис­ле Gemesis (ком­па­ния спе­ци­а­ли­зи­ру­ет­ся на ме­то­де вы­ра­щи­ва­ния ал­маз­ных кри­стал­лов в усло­ви­ях вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры и вы­со­ко­го дав­ле­ния, но се­го­дня уже ста­ла ис­поль­зо­вать и ме­тод ХПО), Scio (ра­нее Apollo), Life Gem, Chatam, D Nea Diamonds и дру­гие.

Сто­ит об­ра­тить вни­ма­ние на ком­па­нию Element Six – рань­ше она на­зы­ва­лась De Beers Industrial Diamonds, – ко­то­рая спе­ци­а­ли­зи­ру­ет­ся на про­из­вод­стве син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за, ку­би­че­ско­го нит­ри­да бо­ра и дру­гих осо­бо твер­дых ма­те­ри­а­лов про­мыш­лен­но­го на­зна­че­ния. Фир­ма ос­но­ва­на в 1946 го­ду сэ­ром Эрн­стом Оп­пен­гей­ме­ром имен­но для про­из­вод­ства син­те­ти­че­ских ал­ма­зов и про­чей про­дук­ции для ис­поль­зо­ва­ния в из­го­тов­ле­нии сверх­твер­дых про­мыш­лен­ных ма­те­ри­а­лов. Се­год­ня Element Six вхо­дит в со­став ве­ду­щих ми­ро­вых спе­ци­а­ли­стов по про­из­вод­ству сверх­твер­дых ма­те­ри­а­лов, в том чис­ле син­те­ти­че­ских ал­ма­зов. De Beers вкла­ды­ва­ет огром­ные сред­ства в ис­сле­до­ва­ния и раз­ра­бот­ку тех­но­ло­ги­че­ских сред­ств, поз­во­ля­ю­щих опре­де­лить про­ис­хож­де­ние ал­ма­за и от­де­лить син­те­ти­че­ские от при­род­ных.

Ха­им Эвен-Зо­хар раз­го­ва­ри­вал с Джо­на­та­ном Оп­пен­гей­ме­ром, сы­ном Ник­ки Оп­пен­гей­ме­ра, про­дав­ше­го свою до­лю в De Beers ком­па­нии Anglo American. Джо­на­тан, как го­во­рит Ха­им Эвен-Зо­хар, в ко­неч­ном ито­ге зай­мет­ся про­да­жей син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­лир­но­го ка­че­ства: «В раз­го­во­ре, ко­то­рый со­сто­ял­ся в на­ча­ле это­го го­да в Ита­лии, он с во­оду­шев­ле­ни­ем рас­ска­зы­вал мне, что у под­раз­де­ле­ния De Beers по «син­те­ти­ке», Element Six (со­кра­щен­но – E6), ко­то­рое Джо­на­тан воз­глав­ля­ет [и­ли до не­дав­не­го вре­ме­ни воз­глав­ля­л], есть кон­крет­ные мар­ке­тин­го­вые пла­ны, «но с De Beers им не сбыть­ся. Мы на это не пой­дем». Он так­же на­мек­нул, что си­сте­ма фор­ми­ро­ва­ния цен на син­те­ти­че­ские ал­ма­зы бу­дет су­ще­ствен­но от­ли­чать­ся от це­но­об­ра­зо­ва­ния по при­род­ным ал­ма­зам.
Ком­па­ния Е6 – успеш­ный про­из­во­ди­тель су­пер­ма­те­ри­а­лов гло­баль­но­го мас­шта­ба, по­став­ля­ю­щий свою про­дук­цию из­го­то­ви­те­лям ин­стру­мен­тов, стан­ков и обо­ру­до­ва­ния и про­чим за­каз­чи­кам, на­хо­дя­щим ей при­ме­не­ние во мно­же­стве от­рас­лей про­мыш­лен­но­сти. У ком­па­нии огром­ные про­из­вод­ствен­ные мощ­но­сти в Ир­лан­дии, Ки­тае, Гер­ма­нии, Шве­ции, ЮАР и Ве­ли­ко­бри­та­нии. Соз­да­ны кон­тро­ли­ру­е­мые De Beers сов­мест­ные пред­при­я­тия с бель­гий­ской Umicore. Что ка­са­ет­ся син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­лир­но­го ка­че­ства, этим биз­не­сом пол­но­стью вла­де­ет De Beers. Для ком­па­нии Anglo American он не­про­филь­ный, и я, ко­неч­но же, пред­по­ла­гаю, что в те­че­ние бли­жай­ших двух лет она про­даст со­от­вет­ству­ю­щую до­лю в De Beers на­зад се­мье Оп­пен­гей­ме­ров.

Ес­ли при­нять во вни­ма­ние, что за­па­сы при­род­ных ал­ма­зов ис­то­ща­ют­ся, по­ни­ма­ешь, что по­явил­ся ма­те­ри­ал, на ко­то­рый дей­стви­тель­но сто­ит об­ра­тить вни­ма­ние.

Ста­тья пер­во­на­чаль­но опуб­ли­ко­ва­на в 208-м вы­пус­ке жур­на­ла HaYahalom