НРНТ-метод получения алмазов

НРНТ-алмазы получили своё название от условий, применяемых для синтеза: High Pressure, High Temperature — высокое давление, высокая температура. Эти параметры последовательно подбирались на протяжении многих лет, исходя из природных условий роста алмаза, и впервые были сформулированы советским химиком О.И. Лейпунским в 1939 году: давление 6 – 7 ГПа, температура 1500 – 1700°C [1].

Типы установок

Существует четыре основных типа прессов для выращивания алмазов методом НРНТ:

• Кубическая
• Belt
• Тороид
• БАРС

Они отличаются конструкцией и возможностью выращивания кристаллов определенных размеров.

Процесс синтеза

Процесс начинается с выбора ячейки роста кристаллов, куда помещаются:

• одна или более алмазных крупинок в качестве затравки (центров осаждения атомов углерода) для роста монокристаллов;
• сольвент (запатентованная металлическая смесь: Ni-Fe-C Co-Fe-C) для растворения графита, ускорения процесса роста алмазов и снижения количества включений;
• сам углерод в форме порошка алмаза или графита.

В Европе практикуется создание мемориальных (памятных) бриллиантов, когда в качестве источника углерода используют прах человека, локон волос, букет невесты и тому подобное.

Условия роста

Собранная ячейка помещается в пресс, куда подается давление 50 – 60 тысяч атмосфер, а электрические резисторы нагревают её до 1300 – 1600°C. Таким образом создаются условия, напоминающие процесс формирования алмаза в природе.

Когда достигаются заданные температура и давление, углерод (обычно графит) растворяется в расплаве металлов в горячей зоне. Затем он переносится в более холодную зону, где находятся маленький кристаллик затравки, на котором постепенно нарастает алмаз. На четвёртые сутки сырьё достигает размера двух карат [2].

Температура постоянно контролируется так, чтоб содержащая источник углерода часть была горячее на 30 ⁰С. При увеличении разницы температур растёт скорость образования кристаллов, но падает их качество. В среднем синтез алмазов составляет 5 – 10 дней.

Влияние добавок

Различные добавки в раствор металлов существенно влияют на цвет и качество кристаллов:

• Алюминий и титан способны поглощать азот, который придает камням желтоватый оттенок. Таким образом можно выращивать бесцветные кристаллы.
• Бор позволяет получать голубые и бесцветные алмазы с электропроводностью — ценные как в ювелирной, так и в электронной промышленности. Такие отбеленные камни после огранки со стороны павильона могут иметь голубоватый оттенок.

Концентрация этих добавок подбираются с высокой точностью, чтобы добиться нужного оттенка и оптической чистоты. Данный подход позволяет создавать алмазы с заданными физическими и эстетическими свойствами.

Обработка сырья

По окончании процесса запекшуюся массу вместе с кристаллами обрабатывают смесью кипящих кислот (90 % серной + 10 % азотной кислоты). Алмаз устойчив к воздействию кислот и щелочей. Таким образом растворяется спекшийся сольвент и остается чистое сырье. Полученные камни промывают водой и отправляют на дальнейшую обработку.

В результате НРНТ-синтеза производят два вида кристаллов:

• борт — алмазный порошок технического назначения;
• монокристаллы — для ювелирных и промышленных целей.

Монокристаллы имеют форму кубооктаэдра, величина которого определяется заданными параметрами: размерами ячейки и условиями синтеза [3].

Далее полученные алмазы подвергаются огранке. Мастер изучает сырье, выявляет чистые, бездефектные, зоны и размечает, какую форму лучше придать камню. Иногда кристалл гранят прямо по той форме, что он приобрёл в процессе синтеза. Такие бриллианты получили название As-grown.

Таким образом, НРНТ-метод позволяет не только воспроизводить природу, но и создавать кристаллы с заданными характеристиками — от цвета до электропроводности. Современные технологии продолжают совершенствоваться, и идеальные по форме, чистоте и цвету алмазы становятся доступными не только для украшений, но и для медицины, квантовых технологий, промышленности.

Источники