Я уже публиковал на этом сайте три своих идеи (Витраж из цветного стекла, Изготовление мозаичных панно и столиков, Выращивание мозаичных панно в инкубаторе). Новая идея, которую я назвал «Выращивание кристаллов рубина в домашних условиях» родилась аналогично идее 1404 в процессе психологического консультирования с использованием применяемых мною техник развития творческого мышления. Именно благодаря этим методикам и родилась в соавторстве с другим моим теперь уже деловым партнером эта новая идея. Я не буду подробно рассказывать с какими проблемами обратился ко мне молодой человек по имени Александр (теперь это не имеет никакого значения), но результатом нашей совместной работы стало рождение этой идеи домашнего бизнеса.
В начале мне попалась на глаза информация, что, оказывается, практически все драгоценные камни, которые продаются в составе ювелирных украшений в наших типовых ювелирных магазинах, имеют искусственное происхождение! Это совсем не значит, что нас обманывают.
Синтетические драгоценные камни по своему химическому составу и физическим свойствам практически полностью неотличимы от натуральных камней. Вся проблема. оказывается в том, что среди натуральных драгоценных камней далеко не все имеют достаточную чистоту и другие ювелирные качества, чтобы удостоится чести быть представленными в ювелирных салонах, а в условиях лабораторного или заводского производства технологический процесс можно отладить настолько, что все выращенные в лаборатории кристаллы будут иметь практически одинаковые ювелирные характеристики.
Да и в производстве они значительно дешевле, чем их «коллеги» того же качества, добытые в глубоких и опасных для жизни рабочих шахтах. К тому же месторождения определенных минералов не разбросаны в изобилии равномерно по всему земному шару, а сосредоточены, как правило, в немногих местах.
Дальше мысль потекла по аналогии с витражами и мозаикой. Если в Интернете я наткнулся на предложения по этим услугам от крупных солидных фирм, с солидными производственными площадями и денежным оборотом, то, задался я тогда вопросом — почему нельзя делать небольшие витражи (вставки в межкомнатные двери, настенные светильники и т.п.) буквально у себя на письменном столе?
Изучил технологию, поломал голову, как ее можно упростить для домашнего применения, провел определенное количество опытов — и получил результат!
Аналогично мы с Александром начали творчески перерабатывать идею выращивания кристаллов драгоценных камней в домашних условиях. Изучили (на ознакомительном уровне) разные способы, и остановились на способе французского ученого Огюста Вернейля, создавшего более 100 лет тому назад оригинальную методику и аппаратуру, позволявшую за 2-3 часа выращивать кристаллы рубина массой 20-30 каратов. Это было выдающимся достижением науки и техники не только потому, что дало возможность искусственно производить такой ценный материал в необходимых количествах, но еще и потому, что открыло перспективы синтеза и выращивания кристаллов других драгоценных камней.
Успеху О. Вернейля предшествовала почти полувековая история исследований по синтезу рубина.
Простота и надежность метода Вернейля привела к быстрой организации промышленного производства указанных кристаллов вначале во Франции, а позднее практически во всех высокоразвитых странах мира.
На первом рисунке показан сам принцип действия метода Вернейля (не правда ли — выглядит все довольно просто!), а на втором рисунке — аппарат Вернейля.
Аппарат Вернейля для выращивания кристаллов рубина в домашних условиях
Выглядит довольно сложно, даже поначалу наводит некоторый страх — мол, мне такой ни за что не сделать! Но это — ложные опасения. Ведь следует еще раз вспомнить, что изобретатель создал свою технологию более 100 лет назад!
Естественно, что у него не было в распоряжении тех электрических и механических «фокусов», которые доступны любому домашнему мастеру в настоящее время!
Вот над этой проблемой — как упростить аппарат Вернейля за счет применения современных электрических узлов и механизмов широкой доступности и создать «кухонный» вариант аппарата — мы и начали работать.
И нам это удалось!
По методу Вернейля можно выращивать кристаллы не только рубина, но и голубого, белого (прозрачного) и желтого топазов (а также и другие оттенки по желанию).
Подробное описание «кухонного» варианта я опубликовываю (с согласия Александра) как основной генератор идеи и совершенно не опасаюсь конкуренции со стороны тех энтузиастов, которые решат последовать этой идее. Резон очень прост: в настоящее время искусственные драгоценные кристаллы выращиваются во многих странах мира, но стоит зайти в ювелирный магазин, то сразу станет очевидно, что цены по-прежнему «кусаются». И до насыщения рынка, по-видимому, еще очень-очень далеко. А если даже после прочтения этой информации найдутся несколько тысяч энтузиастов, то со своим «домашним» производством мы все особой «погоды» на данном сегменте рынка сделать не можем. Поэтому и результаты наших изысканий можно публиковать, ничего не опасаясь. Наоборот, если возникнет в сети что-то вроде «Ассоциации домашних кристаллорастильцев»:-), то для всех будет еще интереснее и полезнее, поскольку, как известно, две головы — хорошо, а две тысячи — можно уверенно предположить — намного лучше. И какие-то из этих голов могут оказаться намного светлее, и их идеи помогут всем интересующимся еще больше упростить и усовершенствовать аппарат, и превратить его из «кухонного», например, в «тумбочный»:-).
Теперь пару слов об экономической эффективности проекта. Чтобы вырастить кристалл рубина массой 20-30 карат (4-6 граммов!), потребуется 3 часа и примерно 3 кВт-часа электроэнергии. Посчитайте — сколько это стоит в вашем регионе. Думаю. что получится цифра менее 10 руб. Стоимость 6 граммов порошка окиси алюминия и 0,2 грамма окиси хрома вообще больше 50 копеек стоить не может.
Так что если вы, уважаемый читатель, предложите даже необработанный кристалл рубина заинтересованному ювелиру, то не нужно иметь голову Сороса, чтобы понять, что прибыль от сделки будет весьма солидной. Ну, а если кто-то из рукодельных мужчин рубинами и топазами осчастливит собственную жену или подругу, то психологические дивиденды от таких «инвестиций» вообще не поддаются никакому подсчету! :-).
Еще пару слов о юридической законности такого производства. Конечно, предстоит еще основательно консультироваться у юристов, но в просмотренном мной законе РФ «О ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛАХ И ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЯХ» (последнее изменение от 18.07.2005 N 90-ФЗ) сказано очень конкретно, что объектом регулирования этого закона являются «драгоценные камни — природные алмазы, изумруды, рубины, сапфиры и александриты, а также природный жемчуг в сыром (естественном) и обработанном виде. К драгоценным камням приравниваются уникальные янтарные образования в порядке, устанавливаемом Правительством Российской Федерации. Настоящий перечень драгоценных камней может быть изменен только федеральным законом.». Специально выделил слово – «природные». А про синтетические не сказано ничего.
Так что выращивайте кристаллы рубина у себя дома спокойно.
Аналог настоящих драгоценных алмазов — искусственные алмазы. Издавна известно, что переливы бриллиантовых граней обладают магическими и чарующими свойствами. Но, так как природные алмазы — самые дорогие камни, приобрести бриллиантовые украшения многие попросту не могут. Благодаря аналогам как женщины, так и мужчины могут насладиться красотой и шиком украшений из искусственных камней. Помимо этого, алмазы применяются не только для изготовления ювелирных украшений, но и во многих отраслях жизни человека: наука, техника, медицина. Использовать качественные и драгоценные алмазы в промышленности не выгодно. Для этого применяются дефектные камни, которые не представляют особой ювелирной ценности, или искусственно выращенные алмазы. Название «алмаз» в переводе с древнего индийского языка обозначает «неразбиваемый». Другая версия гласит: название произошло от греческого слова «адамас», что значит «непреодолимый».
Особенности искусственных алмазов
В 1993 году впервые на мировом алмазном рынке начали появляться искусственные камни как экспериментальные образцы. Часть их направили на исследование в авторитетную лабораторию Геммологическиго института США, где ученые сделали вывод: отличие искусственных алмазов от природных камней довольно существенное, но не каждый ювелир или обычный потребитель сможет идентифицировать и отличить настоящий камень от поддельного. Главное отличительное свойство синтезированных искусственных алмазов — это чистота и твердость. Искусственный алмаз — самый твердый в мире камень. Природные алмазы могут иметь погрешности и дефекты (трещины, замутнения или вкрапления), чего нельзя сказать об искусственных камнях.
Как известно, настоящий алмаз обладает магическими свойствами, помогает защитить человека от «нехороших» взглядов и мыслей, уравновешивает нервную систему. Специалисты астрологии уверяют, что искусственный алмаз также излучает положительную энергию, которая помогает в трудные для человека минуты принять верное решение или сделать правильный выбор. Независимо от знака зодиака как природные, так и выращенные искусственно алмазы можно носить на теле или просто иметь дома в шкатулке. Разнообразие украшений из искусственных камней сегодня достаточно велико, да и отличить камни от настоящих драгоценностей на первый взгляд совершенно невозможно.
Способы выращивания синтетических алмазов
Синтетические экземпляры выращиваются в лабораториях в специальных условиях с применением высокоточного и высокотехнологического оборудования. Но для этого процесса не нужны тысячи лет, как для образования природных камней. Оттенки и размеры специалисты могут выбирать самостоятельно. Один из методов, применяемый для выращивания искусственных алмазов, это температурный градиент с применением особых тубусов. В них помещают следующие ингредиенты:
- графитовое порошкообразное вещество;
- металлические специальные сплавы (они выступают как катализирующие вещества);
- затравки будущих искусственных камней.
Капсула находится под прессом (около 3000 т) в течение 10 суток. Расти начинает в том месте, где оказывается самое высокое давление. Благодаря высокой внутренней температуре (почти 1500° С) металл плавится, растворяя в себе графитный порошок. Разница между температурами создает определенное давление, которое способствует движению полученной массы к «зародышу», где и происходит ее осаждение.
Еще одна методика выращивания лабораторных камней называется CVD-методом (газовое осаждение). Методика заключается в засевании специальной пластины (подложки) алмазными «зародышами». Эту пластину помещают в специализированную установку, которая предварительно откачивается до высокого вакуума. Затем камеру наполняют микроволновыми лучами и газами. Плазма в момент выращивания алмазов достигает определенной температуры (около 3100° С).
Под действием температуры происходит разложение газов в плазму, а молекулы углерода, которые адсорбируются из метана, осаждаются в виде искусственных алмазов на пластине.
Кристаллы имеют эквивалентные связи, этим и объясняются их прочность и твердость. Для искусственного выращивания используют графит, сажу, сахарный уголь и различные вещества, богатые углеродом.
Выращенные алмазы имеют несколько названий, но в основном их принято назвать искусственными или синтетическими, хотя в научной литературе можно также встретить такие названия, как:
- НРНТ-алмазы;
- CVD-алмазы.
Ученые предпочитают называть их «лабораторными камнями» или «выращенными алмазами в лабораторных условиях».
Чем алмаз синтетический отличается от природных камней?
Внешний вид искусственных алмазов не уступает природным драгоценным камням, но если учитывать их стоимость, то она намного ниже. Синтетические камни лучше поддаются процессу огранки, поэтому даже самые маленькие кристаллы могут похвастаться безупречной огранкой. Помимо этого, небольшие синтетические камни намного прочнее природных, поэтому настоящих алмазов небольших размеров на полках ювелирных магазинов практически не встретить: процесс извлечения их из руды очень трудоемкий. С помощью синтетических небольших камней ювелиры создают немассивные, очень красивые украшения с алмазной вышивкой, что намного увеличивает потребительские пожелания.
Область применения искусственных алмазов
Благодаря своей твердости искусственные, выращенные камни широко применяются для резки и шлифовки различных поверхностей. Сегодня практически все пилы, сверла, абразивы, шлифовальные и режущие инструменты имеют детали с искусственной алмазной насечкой. Также широко применяются искусственно выращенные камни как полупроводники при производстве микросхем. Торговые алмазные рынки отличительны от ювелирных рынков, потому что лабораторный камень, помимо твердости, имеет отличную теплопроводность, которая в несколько раз превышает теплопроводность такого материала, например, как медь.
Основные потребители искусственных камней — это ювелиры, производители чипов для компьютерного оборудования, организации, оказывающие бурильные услуги.
Сегодня очень распространены алмазные порошки для полировки поверхностей драгоценных камней, золотых и серебряных оправ, кремниевых пластин.
Самая большая ценность лабораторных камней, полученных методом CVD, заключается в использовании их в высокотехнологических сферах деятельности человека. Искусственные (синтетические) камни применяются при изготовлении мощнейших лазерных лучей (которые на сегодняшний день используются в медицине для лечения смертельных заболеваний), создании мобильных портативных устройств.
Наибольшие потенциалы для синтетических камней находятся в области компьютерных технологий. Детали, которые они содержат, считаются более долговечными, они могут беспрерывно работать при очень высоких температурах, чего не скажешь, например, о кремниевых компьютерных чипах. Искусственный алмаз может выдержать высокие температуры, что обеспечивает его продуктивность, потому что от этого зависят срок службы, частота работы техники, скорость. Количество искусственных алмазов, которое производится ежегодно, это почти 5 миллиардов карат.
Ученые проводят постоянные исследования, которые уже на сегодня позволили сделать выводы о том, что искусственные алмазы будут применяться для получения изображений под водой, изображений в области медицины, для детекторов в большом адронном коллайдере, в ядерных исследованиях.
Помимо всего вышеперечисленного, искусственные алмазы широко применяются в ювелирных украшениях, что позволяет многим женщинам насладиться ненастоящими камнями, но практически не отличающимися от природных.
Выращивание искусственных камней – задача, над которой многие годы бьются коллективы учёных. «Народные умельцы» тоже давно задаются вопросом о том, как вырастить алмаз в домашних условиях. Некоторые даже нашли способы его получения.
Создание искусственных алмазов
В природе алмаз образуется под воздействием высоких температур (более 1600 °С) и высокого давления (60-100 тысяч атмосфер). В естественных условиях формирование алмазов происходит сотни тысяч, а то и миллионы лет. Искусственные алмазы, по своим физическим характеристикам полностью соответствующие натуральным, можно вырастить за несколько месяцев. Для этого необходимо воссоздать естественные условия их образования.
Дома создать аппарат, поддерживающий настолько высокую температуру и нужное давление, пока ещё никому не удавалось. Но некоторые «мастера» делятся советами о том, как всё-таки можно это сделать. Например, советуют взять толстостенную трубу, графит и тротил. Затем сложить тротил и графит в трубу и заварить её. Утверждается, что если взорвать тротил, а потом суметь отыскать остатки трубы, то в них вы найдете малюсенькие алмазики. На практике же шанс покалечиться в сотни раз превышает вероятность получить таким образом алмаз.
Другие «умельцы» предлагают более безопасный метод создания алмазов. Для него понадобится только карандаш, провод, вода (лучше жидкий азот) и источник высокого напряжения (например, сварочный аппарат). Достаньте из карандаша грифель и привяжите к обоим его концам провод. Грифель с проводом положите в контейнер с водой и заморозьте (или используйте для этих целей жидкий азот). Достаньте грифель из морозильника, присоедините провода к сварочному аппарату. Считается, что как только вы пропустите через свою конструкции сильный разряд тока, грифель практически моментально превратится в алмаз. Конечно, такой метод можно опробовать в целях эксперимента, но всерьёз рассчитывать на получение искусственного алмаза не стоит.
Создание искусственных драгоценных камней
В отличие от алмазов, многие другие драгоценные камни можно вырастить дома. Для этого вам надо изготовить или купить аппарат Вернейля и запастись реагентами. Для создания искусственного рубина, например, пригодится соль двуокиси алюминия, имеющая незначительную примесь оксида хрома. Поместите её в накопитель горелки и расплавьте, наблюдая, как за несколько часов прямо на ваших глазах вырастет «рубин». Используя в качестве реагентов разные соли, вы сможете получить и другие виды драгоценных камней.
Выращивание кристаллов
Если вы рассматриваете возможность выращивания камней как интересный опыт, а не как способ обогащения, то можно пойти другим путём и вырастить не камни, а разноцветные кристаллы из соли, сахара или медного купороса.
Для выращивания солевых кристаллов сделайте насыщенный раствор, добавляя соль в стакан с тёплой дистиллированной водой до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Для получения разноцветных кристаллов воду можно подкрашивать пищевым красителем. После этого подвесьте над стаканом на ниточке небольшой кристалл соли так, чтобы он был полностью погружён в раствор. Уже через несколько дней кристалл вырастет. Точно так же выращиваются кристаллы медного купороса.
Кристаллы – это твердые тела, молекулы либо атомы, которые образуют кристаллическую решетку. Вырастить их дозволено с подмогой процесса кристаллизации растворов, паров либо расплавов, тот, что начинается при определенных условиях , скажем, перенасыщении пара, переохлаждении жидкости.
Вам понадобится
- - дистиллированная либо кипяченая вода;
- - химическая посуда для приготовления раствора;
- - лабораторный фильтр, тот, что дозволено заменить промокашкой либо ватой;
- - чистый лист бумаги.
Инструкция
1. Для выращивания прекрасного кристалла верной формы, нужен чистый раствор. Дабы его приготовить понадобятся: дистиллированная либо кипяченая вода, химическая посуда для приготовления раствора, лабораторный фильтр, тот, что дозволено заменить промокашкой либо ватой, чистый лист бумаги.
2. Дабы кристалл подрос огромным и прекрасным, требуется много времени. Это трудный и долгий процесс, тот, что требует осторожности и терпения. Вначале нужно приготовить небольшой кристаллик – затравку. Как только появятся первые кристаллики нужно предпочесть из них те, которые имеют особенно верную форму либо которые огромнее каждого нравятся.
3. Химический стакан наполните наполовину теплой водой и добавьте малыми долями соль. Раствор перемешайте позже всякой доли вещества. Как только оно перестает растворяться, все еще раз скрупулезно размешайте. Приготовленный раствор отфильтруйте в иной стакан, где будет расти кристалл, и накройте его бумагой. Теснее через неделю кристалл приметно вырастет.
4. Следует присматривать за тем, дабы при испарении раствора верхняя часть кристалла не оказалась на воздухе. Это его испортит. Дабы такого не случилось, добавляйте раствор в емкость по мере необходимости.
Стопроцентную точную информацию касательно подлинности камня вам может предоставить экстраординарно эксперт, ведающий толк в своем деле. Но все же случаются обстановки, когда подлинность в ювелирном магазине вам неотложно необходимо определить самосильно. Без соответствующего оборудования совладать с этим вряд ли удастся, впрочем существуют некоторые тесты, которые помогут ввам по крайней мере, выделить дюже очевидные подделки. Такие тесты базируются на том, что реальные алмазы могут, как проводить тепло, так и «крушить» свет.
Инструкция
1. Если вы пытаетесь «проверить» камень без оправы, то испробуйте легко положить его на всякий напечатанный текст. Если это подлинно алмаз, то буквы через камень вы не увидите. Алмаз слишком мощно ломает свет, так что в качестве увеличительного стекла не годится. Но через другие, менее дорогие камни, символы будут чудесно просматриваются.
2. Если просветить камень источником света, схожим на светодиод, то в примитивных камнях вы увидите точку света на иной стороне камня. Если это подлинный алмаз, то вокруг обода камня будет отражаться только ясное гало.
3. Испробуйте подышать на камень и сразу же посмотрите, затуманивается ли камень. Все камни на миг затуманятся, а вот достоверный алмаз неизменно будет оставаться чистым. Учтите, что камень, тот, что именуется муссанит, такой тест также восхитительно выдерживает, следственно для исключения ошибки отменнее каждого отправиться к отменному ювелиру.
4. Разглядеть камень также нужно небывало наблюдательно. В настоящих алмазах могут просматриваться маленькие частички других минералов, которые вдавились в камень в процессе его образования. Впрочем никаких пузырьков в реальном камне быть не может.
5. Посмотрите на краю камня – если они закруглены либо изношены, то это стекло. Если камень дюже чистый, без вкраплений, то это также не алмаз, а, скорее каждого, легкой кварц.
6. Немаловажно понять и тот факт, что достоверный алмаз не может стоить дешево и ни в коем случае не поддаваться соблазну приобрести «подлинный» алмаз за смешные деньги. Как водится, алмаз в ювелирном изделии вставляется так, дабы его задняя часть была открытой и доступной к осмотру.
7. Не проверяйте алмаз царапаньем по стеклу: да, данный камень крепкий, но повредить его таким методом абсолютно дозволено. А вот неестественные камни, которые теперь абсолютно благополучно «выращивают» на производстве, отличить будет нелегко даже эксперту.
Видео по теме
Вероятно, особенно увлекательно в школе проходили уроки физики и химии, на которых демонстрировались разные навыки. Данная инструкция не только дозволит освежить вам базовые умения по этим предметам, но и в домашних условиях вырастить прекрасные кристаллы . Из них получатся хорошие сувениры.
Вам понадобится
- - соль,
- - вода,
- - стакан,
- - нитка,
- - лист бумаги.
Инструкция
1. Помните, что выращивание кристаллов – это долгий процесс. Запаситесь терпением и определитесь, к какой дате вы бы хотели получить кристалл. В среднем у вас уйдет две-три недели.
2. Решите, из какого вещества вы будете выращивать свой кристалл. Подойдут разные соли (в том числе, соли для ванн) и даже сахар. Солевые кристаллы класснее растут, получаются больше крепкими и различными по цвету, следственно именно о них и пойдет речь дальше. Так, из традиционной поваренной соли вы получите белые, прозрачные кристаллы , из медного купороса – сине-голубые, из меди – красные. Не применяйте разные неестественные красители – они замедлят реакцию, изменят цвет раствора, но не самого кристалла.
3. На первом этапе вашего эксперимента вы обязаны получить интенсивный раствор пищевой соли (NaCl). Для этого в довольно теплую воду (ок. 60°С) надобно высыпать соль и скрупулезно размешивать. Желанно применять дистиллированную воду (если вы выращиваете медный купорос – непременно). Когда соль перестанет растворяться и станет выпадать в осадок, значит, достигнута нужная насыщенность. На 100 г воды в среднем уходит 35-40 г соли. Процедите раствор, дабы избавиться от мусора и лишней соли.
4. Возьмите зародыш (затравку), т.е. большой кристаллик той соли, которую вы используете. Разместите его на дно стакана с интенсивным раствором либо закрепите на нитке и опустите в раствор. Зародышей дозволено брать несколько.
5. Закутайте вашу емкость во что-то теплое, дабы раствор неторопливей остывал, и накройте листом бумаги, дабы в воду не попадала пыль. Позже чего начинается 2-й, самый долгий этап в выращивании кристаллов – ожидание.
6. Если вы все сделали верно, то через 3-4 дня зародыш не растворится, а начнет медлительно расти. По мере испарения воды, кристалл будет возрастать в размерах. Контролируйте ярус жидкости. При необходимости раз в неделю-две доливайте новейший раствор. Растущий зародыш отличнее ненужный раз из раствора не доставать. При соблюдении всех этих правил через какое-то время вы получите прекрасный кристалл, тот, что станет странным украшением вашего дома либо красивым презентом для ваших знакомых.
Видео по теме
С тех давнишних времен, когда общество впервой узнало о существовании прозрачного бесцветного камня, не уступающего по своей твердости лишь закаленной стали, теснее много воды утекло. Но невзирая на это алмаз не утратил своей изначальной ценности, наоборот, о существовании этого драгоценного камня и его замечательной красоте сегодня знают фактически все. И правда алмаз имеет уйма граней, нарисовать данный завораживающий камень нетрудно.
Вам понадобится
- - персональный компьютер;
- - программа Photoshop.
Инструкция
1. Запустите на компьютере программу Photoshop и откройте новейший документ, установив следующие параметры: разрешение 350 х 350 пикселов и белый фон. Сейчас комбинацией клавиш «Shift+Ctrl+N» сделайте новейший слой и настройте на нем цвет переднего плана (ласково-голубой).
2. Нарисуйте фигуру четырехугольной формы (для этого потребуется перо - Pen Tool). По внешнему виду эта фигура напоминать должна силуэты грядущего алмаз а: острый угол внизу, два тупых угла слева и еще один противоположно расположенный им острый угол. Правой клавишей компьютерного манипулятора щелкните по полученной фигуре. После этого выберите опцию «образовать выделенную область» и установите параметры растушевки на 0 pxl, удостоверивши правильность своих действием нажатием «ОК».
Украшение с алмазами - это, конечно, мечта каждой амбициозной леди. Однако не дефицит подобных ювелирных изделий стал причиной, по которой многие ученые мира десятилетиями трудились в поисках способа, как произвести на свет искусственный алмаз. Он жизненно необходим во многих отраслях (оптика. медицина, микроэлектроника), причем целью создаваемой технологии являлось то, чтобы искусственные алмазы не только не утратили свойств натурального драгоценного камня, но и превзошли его по совершенству кристаллической решетки.
На сегодняшний день известно как минимум четыре способа, как создать искусственный алмаз. Какой из них самый прогрессивный, трудно сказать, потому как один слишком дорогостоящий, недостатком другого является грязный цвет кристаллов, третий имеет существенное отличие от натурального по форме кристаллов. Поэтому технология производства выбирается в зависимости от того, на какие цели пойдет камень. Кристаллическая решетка природного алмаза представляет собой тетраэдр, по прочности ему нет равных, а в способности преломлять свет он значительно превосходит стекло:алмаз - 2,42, стекло - 1,8.
Если рассматривать самый надежный способ получения синтетических алмазов, то это будет путь, наиболее приближенный к природным условиям. Однако он является и самым дорогостоящим. Дороговизна прежде всего в самой установке - пресс с высоким давлением. В него помещается цилиндр, а в него уже специальная камера, выполненная из карбида тантала с кристаллическим углеродом (графит). Именно так находится алмаз в толще земли. Цилиндр снабжен специальными отверстиями, через которые подается вода под высоким давлением и проникают хладагенты.
В процессе многоступенчатой технологии графиту предстоит стать алмазом. Сначала под высоким давлением подается мощным потоком вода, которая сжимает графит. После этого он подвергается заморозке до -12 градусов Цельсия. Процесс сжатия не только не прекращается на протяжении всего технологического процесса, а, напротив, увеличивается за счет заморозки с 2-3 тысяч атмосфер вначале до 20 тысяч в конце. Далее вступает на доли секунды электрический ток, и наконец ледяной затвор размораживается и на свет появляется искусственный алмаз.
Полученный алмаз в точности повторяет естественную кристаллическую решетку тетраэдра, но обладает несколько грязноватым оттенком. Однако по прочности аналог гораздо превосходит натуральный. Таким способом получают камень для технических целей. Другая технология тоже достаточно проста, когда алмазы выращиваются в метане без доступа воздуха. Без специальной аппаратуры здесь не обойтись. Синтетический алмаз в итоге имеет кубическую форму кристаллов, абсолютно идентичен по прочности, но черного цвета.
Чтобы его получить, в специальную емкость аппарата погружают натуральный алмаз в мизерных количествах, как затравку. Его раскаляют и постепенно начинают подачу углерода (0,2% каждый час). Технология взрыва дает чистейшие алмазы по цвету, прочности, и форме кристаллической решетки. Для их получения используют все тот же графит, который предварительно разогревается и в момент взрыва превращается в алмазную крошку. Именно в крошку, потому как при таком способе выход кристаллов очень велик, но они получаются мелкими.
Такие же мелкие искусственные алмазы получают при низких температурах. В этой технологии используют специальный металл-катализатор, который и позволяет существенно снизить давление и температуру. Как правило, в камеру помещают графит, растворитель, железо, кобальт, никель. Алмаз слой за слоем "растет" в прослойке между раскаленным графитом и пластиной-катализатором. Так получают алмазы для технических целей. В течение каждого отдельного цикла вырастает до 50 гр.
В зависимости от используемого катализатора, алмазы различаются по цвету. Так, примесь никеля дает зеленый оттенок, с помощью бериллия получают голубые алмазы. Можно получать и другие цвета: белый прозрачный и матовый, желтый. Низкотемпературный способ придает синтетическим алмазам квадратную форму. Прочность получается выше, чем у природного алмаза. Если поместить в камеру крошку корунда вместе с хромом, а в качестве катализатора использовать чистый корунд, то на выходе удастся получить идеальный рубин.
Если добавить к этому составу железо и титан, то можно получить сапфир. Температура понадобится 600 градусов по Цельсию, а давление всего 1,5 тысячи атмосфер. Современные технологии позволяют, таким образом, создавать драгоценные камни, которые по внешним признакам не сможет отличить от натуральных даже профессионал-ювелир. Конечно, если взять в руки высокоточные приборы, то примеси удастся обнаружить. Но невооруженным глазом это сделать не удастся.
Создать все вышеупомянутые технологии позволили знания о том, что по сути природный алмаз - это всего лишь углерод. Таким же чистым углеродом являются уголь древесного происхождения и графит. Поэтому последний чаще всего превращается в драгоценные алмазные кристаллы путем применения одного из способов. Известно, что углерод может быть в твердом, газообразном и жидком состоянии. Изучив временные характеристики этих состояний и использовав давление и изменения температуры, теперь стало возможным получать искусственные алмазы.
26 мая 2015 года Международный геммологический институт (IGI) в Гонконге выдал сертификат на необычный рекордный бриллиант массой 10,02 карата, цвета E и чистоты VS1. Подобные драгоценные камни не такая уже и редкость в ювелирном мире, но уникальность данного случая состояла в том, что камень не был добыт из земных недр, а был огранен из 32-каратного кристалла синтетического алмаза, выращенного российской компанией New Diamond Technology (NDT). «Это далеко не первый наш рекорд, — говорит генеральный директор компании Николай Хихинашвили. — Предыдущий, 5-каратный, продержался всего два месяца».
Роман Колядин, директор по производству, показывает мне небольшой цех в одном из технопарков неподалеку от Сестрорецка. Цех безлюден, лишь полтора десятка гидравлических прессов стоят вдоль стен. Это и есть «месторождение» — внутри прессов, в условиях высоких температур и давлений, микрон за микроном растут абсолютно безупречные алмазы. На пультах управления контроллеров у каждого пресса отражаются текущие параметры, но Роман просит снимать картинку так, чтобы эти данные не попали в кадр: «Общие принципы синтеза алмазов хорошо известны и используются в промышленности уже более полувека. А вот детали режимов синтеза — одно из ноу-хау нашей компании». Я обращаю внимание на прецизионные кондиционеры, поддерживающие микроклимат в цеху с точностью до десятых долей градуса. Неужели в такой точности есть необходимость? «Помните, мы сразу же закрыли за собой дверь, чтобы избежать сквозняка? — объясняет Роман. — Небольшие отклонения в температурном режиме могут серьезно повлиять на качество алмаза, и не в лучшую сторону. А мы всегда стремимся получить идеальное качество».
Процесс выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза. Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится 12−13 суток.
Подсмотрели у природы
История синтетических алмазов начинается с конца XVIII века, когда ученые окончательно поняли, что этот камень по своему составу является углеродом. В конце XIX века были попытки превратить дешевые варианты углерода (уголь или графит) в твердый и блестящий алмаз. Заявления об удачном синтезе делали многие известные ученые, такие как французский химик Анри Муассан или британский физик Уильям Крукс. Позднее, правда, было установлено, что никто из них на самом деле успеха не добился, и первые синтетические алмазы были получены только в 1954 году в лабораториях компании General Electric.
Более дешевый процесс осаждения алмаза из ионизированной углеводородной газовой среды на подложке, разогретой до 600−700°С. Для выращивания монокристаллов с помощью CVD требуется алмазная монокристаллическая подложка, выращенная с помощью HPHT. При осаждении на кремний или поликристаллический алмаз получается поликристаллическая пластина, имеющая ограниченное применение в электронике и оптике. Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.
Процесс, который использовали для синтеза в GE, был «подсмотрен» у природы. Считается, что земные алмазы образуются в мантии, на глубине в сотни километров под поверхностью Земли, при высокой температуре (около 1300°С) и высоком давлении (около 50 000 атм.), а затем выносятся на поверхность магматическими породами, такими как кимберлиты и лампроиты. Разработчики GE обжимали с помощью пресса ячейку, внутри которой находился графит и железо-никелево-кобальтовый расплав, выступавший в качестве растворителя и катализатора. Этот процесс был назван HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Именно этот способ позднее стал коммерческим для получения недорогих технических алмазов и алмазных порошков (сейчас их производят миллиардами карат в год), а в 1970-х с его помощью научились изготавливать и ювелирные камни массой до 1 карата, хотя и весьма среднего качества.
Две основные технологии промышленного получения синтетических алмазов — это HPHT и CVD. Существует еще ряд экзотических методик, таких как синтез нанокристаллов алмаза из графита при взрыве или экспериментальный метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под воздействием ультразвуковой кавитации.
Обходной путь
С 1960-х годов в мире идет разработка еще одного метода синтеза алмазов — CVD (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы). В нем алмазы осаждаются на подогреваемую подложку из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высокой температуры. Именно на этот метод синтеза в начале 2000-х стали возлагать большие надежды и небольшие стартапы, и крупные компании типа Element Six, входящей в группу De Beers.
До последнего времени метод HPHT оставался сильно недооцененным. «Когда мы несколько лет назад покупали оборудование, нам все в одни голос говорили, что промышленные прессы пригодны разве что для синтеза алмазных порошков», — говорит Николай Хихинашвили. Все ресурсы выделялись на разработку CVD, а технология HPHT считалась нишевой, никто из специалистов не верил, что с ее помощью можно выращивать достаточно крупные кристаллы. Однако, по словам Николая, специалистам компании удалось разработать собственную технологию синтеза, которая буквально произвела в отрасли эффект разорвавшейся бомбы. Несколько лет назад в отчете одной из геммологических лабораторий так и было написано: «Вес данного бриллианта составляет 2,30 карата! Подобная величина бриллианта еще до недавнего времени была гарантом его природного происхождения».
Огранка алмазов для получения сверкающих бриллиантов — процесс долгий и не слишком впечатляющий для непосвященного человека. И выращенные, и натуральные алмазы обрабатываются совершенно одинаковым образом.
Лучшие друзья девушек
«Мы, конечно, не единственные, кто выращивает алмазы крупнее 5−6 карат, — объясняет Николай. — Но все остальные подчиняются принципу «два из трех»: крупные, качественные, коммерчески выгодные. Мы первые, кто научился получать крупные кристаллы алмаза высокого качества по приемлемой стоимости. На 32 прессах мы можем выращивать около 3000 карат в месяц, и это камни очень высокого качества — алмазы цвета D, E, F и чистоты от чистейших IF до SI, в основном типа II. 80% нашей продукции — это ювелирные алмазы массой от 0,5 до 1,5 карата, хотя мы можем вырастить под заказ алмаз любого размера». В качестве доказательства Николай протягивает мне кристалл размером с 10-рублевую монету: «Вот это, например, 28 карат. Если огранить его, получится бриллиант карат в 15».
В начале 2000-х мировой алмазный монополист, компания De Beers, была сильно обеспокоена грядущим выходом на ювелирный рынок синтетических алмазов, опасаясь, что это может подорвать бизнес. Но время показало, что бояться нечего — синтетические алмазы занимают очень малую долю ювелирного рынка. К тому же за это время были разработаны методы исследований, которые позволяют достаточно уверенно идентифицировать выращенные алмазы. Признаками синтеза являются включения металла, в цветных алмазах можно рассмотреть секторы роста, к тому же HPHT, CVD и натуральные природные алмазы в УФ-лучах имеют разный характер люминесценции.
В зависимости от содержания азота алмазы относят к одному из двух основных типов. Алмазы типа I содержат до 0,2% азота, атомы которого расположены в узлах кристаллической решетки группами (Ia) или по одиночке (Ib). Тип I преобладает среди природных алмазов (98%). Как правило, такие камни редко бывают бесцветными. Алмазы типа IIa практически не содержат азота (менее 0,001%), среди природных камней их всего 1,8%. Еще реже (0,2%) встречаются безазотные алмазы с примесью бора (IIb). Атомы бора в узлах кристаллической решетки обуславливают их электропроводность и придают алмазам голубоватый оттенок.
«Как относятся потребители к выращенным алмазам? Хорошо, — говорит Николай, — особенно современная молодежь. Для них важно, что эти алмазы бесконфликтны и созданы людьми с помощью высоких технологий без вмешательства в природу. Ну и цена примерно вдвое ниже. Конечно, в сертификате написано, что камни выращенные, но ведь носят-то кольцо с бриллиантом, а не сертификат! А по физическим и химическим свойствам наши алмазы идентичны природным».
Пока что большую часть прибыли дает изготовление алмазов для ювелирного рынка. Однако, скорее всего, в ближайшие годы возникнет огромный спрос на выращенные алмазы и алмазные пластины для специальной оптики, микроэлектроники и других высокотехнологичных промышленных применений.
От украшений к промышленности
Ювелирные алмазы — это прибыльная часть бизнеса NDT, но завтрашний день принадлежит другому направлению. Технический директор компании NDT Александр Колядин любит говорить: «Если из алмаза уже ничего больше нельзя изготовить, сделай бриллиант». На самом деле наиболее перспективный рынок для крупных высококачественных синтетических алмазов — это промышленность. «Ни один природный алмаз не годится для использования в специальной оптике или электронике, — говорит Александр Колядин. — В них слишком много дефектов. А пластины, вырезанные из наших алмазов, имеют почти идеальную кристаллическую решетку. Некоторые исследовательские организации, которым мы предоставляем наши образцы для изучения, с трудом могут поверить в измеренные параметры — настолько они идеальны. И не просто отдельные образцы — мы можем уверенно обеспечить повторяемость характеристик, что для промышленности жизненно важно. Алмазы — это теплоотводы, это окна для специальной оптики и для синхротронов, и, конечно, силовая микроэлектроника, над созданием которой сейчас работают во всем мире».
«Промышленное направление пока составляет 20% нашего производства, но года через три мы планируем довести его до 50%, тем более что спрос быстро растет. Сейчас мы в основном делаем пластины 4 х 4 и 5 х 5 мм, вырезали по заказу несколько 7 х 7 и 8 х 8 мм и даже 10 х 10 мм, но это пока не массовое производство. Наша следующая цель, — говорит Николай Хихинашвили, — это перейти к изготовлению дюймовых алмазных пластин. Это тот минимум, который очень востребован в массовой электронной и оптической промышленности. Для получения таких пластин нужно вырастить кристалл алмаза массой в сто карат. Это наш план на ближайшее будущее». «На десятилетие?» — уточняю я. Николай с огромным удивлением смотрит на меня: «Десятилетие? Мы собираемся сделать это до конца года».