ПАО СберБан­к©, 2022 год, все пра­ва за­щи­ще­ны

Ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ния опуб­ли­ко­ва­ны в жур­на­ле Heliyon. Ал­маз — это фор­ма уг­ле­ро­да, ко­то­рая уже со­т­ни лет при­в­ле­ка­ет вни­ма­ние бла­го­да­ря сво­им уни­каль­ным фи­зи­че­ским и хи­ми­че­ским свой­ствам: пре­дель­ной твер­до­сти, вы­со­чай­шей те­п­ло­про­вод­но­сти, хи­ми­че­ской инер­т­но­сти и пр. Ал­ма­зы не толь­ко вос­тре­бо­ва­ны в юве­ли­р­ной про­мы­ш­лен­но­сти, но и не­об­хо­ди­мы для элек­тро­ни­ки, кван­то­вых про­ек­тов, ме­ди­ци­ны и так да­лее, что де­ла­ет во­прос их ла­бо­ра­тор­но­го син­те­за осо­бен­но ва­ж­ным. Не­ко­то­рые ко­м­па­нии, та­кие как De Beers Group, уже ди­вер­си­фи­ци­ро­ва­ли свой ас­сор­ти­мент про­дук­ции, что­бы пред­ло­жить кли­ен­там как ал­ма­зы, до­бы­тые в ка­рье­рах, так и ал­ма­зы, вы­ра­щен­ные в ла­бо­ра­то­рии.

Соз­да­те­ли спо­со­бов ла­бо­ра­тор­но­го про­из­вод­ства ал­ма­зов во мно­гом по­доб­ны сред­не­ве­ко­вым ал­хи­ми­кам, ко­то­рые со­вер­шен­ство­ва­ли пра­к­ти­че­ские тех­но­ло­гии в по­ис­ках фи­ло­со­ф­ско­го ка­м­ня. Син­тез ал­ма­зов тре­бу­ет фун­да­мен­таль­ных зна­ний в об­ла­сти фи­зи­ки и хи­мии. Тех­но­ло­гии по­сто­ян­но раз­ви­ва­ют­ся, так как спрос на ал­ма­зы рас­тет.

Рас­хо­ды на опла­ту пе­р­со­на­ла яв­ля­ют­ся ос­но­в­ной ча­стью опе­ра­ци­он­ных из­дер­жек при про­из­вод­стве ал­ма­зов и ин­ди­ка­то­ром об­щей эф­фек­тив­но­сти про­из­вод­ства: чем мень­ше че­ло­ве­ко-­ча­сов рас­хо­ду­ет­ся на про­из­вод­ство еди­ни­цы про­дук­ции, тем вы­ше об­щая ин­ве­сти­ци­он­ная при­в­ле­ка­тель­ность ал­маз­ных про­ек­тов.

В ис­сле­до­ва­нии уче­ные изу­чи­ли тру­до­за­тра­ты, не­об­хо­ди­мые для по­лу­че­ния од­но­го ка­ра­та ал­ма­за тре­мя спо­со­ба­ми: клас­си­че­ским от­кры­тым спо­со­бом до­бы­чи в ал­маз­ном ме­сто­ро­ж­де­нии, вы­со­ко­те­м­пе­ра­тур­ным син­те­зом под вы­со­ким дав­ле­ни­ем (HPHT) и хи­ми­че­ским оса­ж­де­ни­ем из га­зо­вой фа­зы в ми­к­ро­вол­но­вой плаз­ме с ча­сто­той 2,45 ГГц (MP CVD).

Тех­но­ло­гия HPHT си­му­ли­ру­ет есте­ствен­ный про­цесс об­ра­зо­ва­ния ал­ма­зов. Мо­щ­ный гид­рав­ли­че­ский пресс сжи­ма­ет спе­ци­аль­ный кон­тей­нер — ро­сто­вую ячей­ку, внут­ри ко­то­рой на­хо­ди­т­ся смесь же­ле­за, гра­фи­та и ад­ди­ти­вов. При этом в ячей­ке со­з­да­ет­ся дав­ле­ние до 6 ГПа, под­дер­жи­ва­ет­ся те­м­пе­ра­ту­ра око­ло 1500 °C — в дан­ных усло­ви­ях ато­мы уг­ле­ро­да, рас­тво­рен­ные в же­ле­зе, на­чи­на­ют кри­стал­ли­зо­вать­ся. Боль­шин­ство ла­бо­ра­тор­ных ал­ма­зов вы­ра­щи­ва­ют­ся имен­но при по­мо­щи тех­но­ло­гии HPHT.

Тех­но­ло­гия MP CVD силь­но от­ли­ча­ет­ся от HPHT и не вос­про­из­во­дит есте­ствен­ный про­цесс воз­ни­к­но­ве­ния ал­ма­за. В ней ис­поль­зу­ет­ся ме­та­но-во­до­род­ная плаз­ма вме­сто рас­пла­ва же­ле­за, а про­цесс про­хо­дит в усло­ви­ях низ­ко­го дав­ле­ния внут­ри спе­ци­аль­ной ка­ме­ры-ре­зо­на­то­ра. Тех­но­ло­гия хи­ми­че­ско­го оса­ж­де­ния из га­зо­вой фа­зы поз­во­ля­ет со­з­да­вать сло­ж­ные кри­стал­ли­че­ские струк­ту­ры для юве­ли­р­ных из­де­лий, оп­ти­ки и элек­тро­ни­ки и точ­но кон­тро­ли­ро­вать все со­о­т­вет­ству­ю­щие па­ра­мет­ры. Это бо­лее мо­ло­дая и мно­го­о­бе­ща­ю­щая тех­но­ло­гия син­те­зи­ро­ва­ния ал­ма­зов.

В хо­де ра­бо­ты бы­ли ис­поль­зо­ва­ны дан­ные из от­кры­тых ис­точ­ни­ков: от­чет­но­сти ве­ду­ще­го про­из­во­ди­те­ля ал­ма­зов De Beers, а та­к­же ла­бо­ра­тор­ных ис­сле­до­ва­ний про­цес­сов син­те­за. Не­смо­т­ря на бур­ный рост ко­ли­че­ства про­ек­тов по син­те­зу ал­ма­зов, ав­то­ры ис­сле­до­ва­ния при­шли к вы­во­ду, что удель­ные тру­до­за­тра­ты при до­бы­че на ме­сто­ро­ж­де­ни­ях Orapa и Jwaneng в Бо­т­сва­не зна­чи­тель­но мень­ше, чем при син­те­зе ал­ма­зов юве­ли­р­но­го ка­че­ства, то есть ал­ма­зов с низ­ким со­дер­жа­ни­ем при­ме­сей и раз­ме­ра­ми, оп­ти­маль­ны­ми для ис­поль­зо­ва­ния в юве­ли­р­ной про­мы­ш­лен­но­сти.

У­че­ные рас­с­чи­та­ли сред­нее ра­бо­чее вре­мя, не­об­хо­ди­мое для про­из­вод­ства 1 ка­ра­та ал­ма­за. Так, шах­тер на ме­сто­ро­ж­де­ни­ях Orapa и Jwaneng тра­тит в сред­нем 26 ми­нут на до­бы­чу 1 ка­ра­та ал­ма­за. Опе­ра­то­ры HPHT-­прес­са и ре­а­к­то­ра MP CVD тра­тят в сред­нем 1 час 50 ми­нут и 3 ча­са 26 ми­нут со­о­т­вет­ствен­но на син­тез 1 ка­ра­та ал­ма­за юве­ли­р­но­го ка­че­ства.

«Ал­маз, ши­ре — уг­ле­род, — это, без­усло­в­но, ма­те­ри­ал бу­ду­ще­го, от­сю­да ака­де­ми­че­ский ин­те­рес к эко­но­ми­че­ским ас­пе­к­там кар­бо­но­вых тех­но­ло­гий. Как экс­пе­р­ту мне ча­сто при­хо­ди­т­ся да­вать за­клю­че­ния на те или иные про­ек­ты, свя­за­н­ные с вы­с­ши­ми фул­ле­ре­на­ми, ал­ма­за­ми и про­чи­ми ал­ло­тро­па­ми уг­ле­ро­да. В этой ста­тье мы обоб­щи­ли соб­ствен­ный опыт в ча­сти до­бы­чи и син­те­за ал­ма­за как од­но­го из ос­но­в­ных ко­м­мер­че­ски при­ме­ня­е­мых кар­бо­но­вых ал­ло­тро­пов», — го­во­рит один из ав­то­ров ис­сле­до­ва­ния, про­фес­сор фа­куль­те­та гу­ма­ни­тар­ных на­ук НИУ ВШЭ Вла­ди­слав Жда­нов.

Как от­ме­ча­ют ис­сле­до­ва­те­ли, на­б­лю­да­ют­ся по­ло­жи­тель­ные тен­ден­ции в со­вер­шен­ство­ва­нии про­цес­сов из­го­то­в­ле­ния ал­ма­зов. Со­вер­шен­ству­ют­ся гид­рав­ли­че­ские прес­сы, ис­поль­зу­е­мые в HPHT, как след­ствие, рас­тет про­из­во­ди­тель­но­сть.

«Ин­но­ва­ции в ме­то­де CVD та­к­же мо­гут сни­зить тру­до­е­м­ко­сть. Син­тез мо­но­кри­стал­ли­че­ской ал­маз­ной пла­сти­ны ди­а­мет­ром 92 мм не­ме­ц­ки­ми уче­ны­ми стал од­ним из са­мых ва­ж­ных до­сти­же­ний в тех­но­ло­гии за по­след­нее де­ся­ти­ле­тие. Это во­прос вре­ме­ни, ко­г­да этот ре­зуль­тат бу­дет мас­шта­би­ро­ван и мы ста­нем сви­де­те­ля­ми рез­ко­го ро­ста раз­ме­ров CVD-ал­ма­зов, что мо­жет при­ве­сти к пе­ре­осмыс­ле­нию их пра­к­ти­че­ско­го ис­поль­зо­ва­ния», — ре­зю­ми­ру­ет Вла­ди­слав Жда­нов.

По мне­нию ис­сле­до­ва­те­ля, гор­но­до­бы­ва­ю­щая про­мы­ш­лен­ность та­к­же име­ет боль­шой по­тен­ци­ал для по­вы­ше­ния про­из­во­ди­тель­но­сти тру­да, на­при­мер ав­то­но­м­ная ка­рьер­ная тех­ни­ка, ро­бо­ти­зи­ро­ван­ные обо­га­ти­тель­ные фаб­ри­ки и так да­лее. Су­ще­ству­ет бес­ко­неч­ное ко­ли­че­ство ин­но­ва­ций, и мно­гие ас­пе­к­ты мо­гут быть улуч­ше­ны.