DiamondLand
DiamondLand
Магазин бриллиантов с гарантией происхождения и качества
Товары продавца
По вашему запросу ничего не найдено
Новости и статьиПерейти в блог
09.07.2025
Карат: маленькая мера больших ценностей
Карат — единица измерения массы драгоценных камней, определяющая не только вес, но и их статус и рыночную стоимость. Мало кто задумывается, что слово «карат» уходит корнями в античные времена. Сегодня без этой меры невозможно представить ювелирное дело. Сколько это в граммах? Как визуально выглядит бриллиант в один карат? И чем отличается золотой карат от карата бриллианта? Разбираемся.
История карата — от древности до наших дней
Слово «карат» происходит от греческого «κεράτιον» (kerátion) — уменьшительной формы слова «κέρας» (kéras, «рог»). Однако исторически термин связан с плодами Рожкового дерева (Ceratonia siliqua), чьи изогнутые стручки напоминали рога.
Плоды и семена Рожкового дерева (Ceratonia siliqua), или Цератонии стручковой. Порошок из семян Рожкового дерева — кэроб — используется вместо какао-порошка людьми, которым противопоказан кофеин
Античные торговцы заметили, что семена этого дерева отличались почти неизменной массой — около 0,2 г с минимальными отклонениями. Это уникальное свойство превратило их в природные эталоны веса для драгоценных камней. Так скромные плоды Рожкового дерева легли в основу ювелирной метрологии, а «карат» стал символом точности, сохранявшим свою актуальность на протяжении тысячелетий.
Со временем, в эпоху Средневековья, ювелиры разных стран столкнулись с проблемой: семена Рожкового дерева, несмотря на свою удивительную однородность, всё же имели незначительную, но критичную разницу в весе. Итальянские купцы в Генуе оперировали «тяжёлыми» каратами (до 0,22 г), тогда как арабские торговцы в Александрии использовали более «лёгкие» стандарты (около 0,18 г). В крупных сделках разница даже в 0,04 г для 10-каратного бриллианта означала потерю 0,4 г — существенную сумму.
Масса одного семени Рожкового дерева в среднем близка к весу алмаза в один карат
Особенно остро проблема проявилась в XVII – XVIII веках, когда объёмы торговли драгоценностями выросли в десятки раз. В 1871 году на Парижской выставке были представлены 47 различных стандартов карата из разных стран. Французские ювелиры разработали сравнительную таблицу с коэффициентами пересчёта между «флорентийским», «венецианским» и «стамбульским» каратами.
Ситуация изменилась только в 1907 году, когда на IV Генеральной конференции по мерам и весам в Париже был установлен единый метрический карат, равный ровно 200 мг (0,2 г) [1]. Это решение:
устранило региональные различия; закрепило десятичную систему измерений; сохранило связь с природным эталоном, исключив его погрешности.
Генеральные конференции по мерам и весам созываются в Международном бюро мер и весов в Париже для принятия решений по стандартам измерения и вопросам измерительной науки.
Некоторые достижения прошлых конференций:
1-я конференция (1889 г.) установила международные прототипы метра и килограмма,
2-я конференция (1895 г.) утвердила значение метра в длинах световых волн,
3-я конференция (1901 г.) провела чёткое разграничение понятий массы и веса и приняла значение для нормального ускорения свободного падения
Интересно, что переход на новый стандарт занял более 20 лет. В СССР метрический карат как мера веса драгоценных камней был принят в 1922 году. С тех пор формула — 1 карат = 200 мг — стала универсальным языком ювелиров, геммологов и коллекционеров во всём мире.
Как измеряют караты в ювелирном деле
Методы измерения массы драгоценных камней прошли длинный путь — от семян Рожкового дерева до современных электронных весов. Сегодня, когда разница в 0,01 карата может означать тысячи долларов, специалисты используют широкий спектр высокоточных инструментов.
Существует несколько типов весов, применяемых при работе с бриллиантами:
Аналитические весы высокой точности — используются в лабораториях сертификации (GIA, IGI, HRD). Эти приборы работают с точностью до 0,0001 г (0,0005 ct) и имеют калибровку по международным стандартам. Они установлены в условиях стабильной температуры и влажности, а также полной виброизоляции. Ювелирные весы точностью до 0,001 г — применяются в крупных магазинах и у частных геммологов. Это надёжный профессиональный инструмент для повседневной работы, обеспечивающий точность измерений до 0,005 ct. Компактные цифровые весы для салонов — бюджетные модели с точностью до 0,01 г (0,05 ct). Они подходят для ориентировочных оценок, но не могут быть использованы для сертификации или точного определения стоимости.
Типы весов для взвешивания бриллиантов: 1 – аналитические весы, 2 – ювелирные весы, 3 – компактные цифровые весы
В профессиональной среде измерение веса проводится только на откалиброванных весах, сертифицированных по OIML или NIST, с обязательной проверкой температуры и горизонтальности установки. В отдельных лабораториях, включая GIA, практикуются методы исключения влияния воздуха — например, взвешивание в герметичных контейнерах.
Таким образом, измерение карат — это не просто «поставить на весы», а точная операция, требующая подходящих условий и оборудования, особенно если речь идёт о сертифицированной оценке.
Размер бриллианта в один карат: от чего зависит диаметр
Когда речь идет о бриллианте в один карат, важно понимать: это мера массы (0,2 г), а не фиксированный размер. Круглый бриллиант идеальной огранки весом один карат обычно имеет диаметр около 6,4 – 6,5 мм [2].
Два бриллианта одинаковой массы могут заметно отличаться по визуальному размеру в зависимости от ряда факторов:
1. Тип огранки.
Идеальная круглая (58 граней) — 6,4 – 6,5 мм.
Глубокая огранка — кажется меньше (до 5,8 мм).
Плоская огранка — выглядит крупнее (до 7,1 мм), но если павильон недостаточно глубок, свет выходит из нижней части, снижая бриллиантовую игру.
2. Форма камня.
Овальные, грушевидные и маркиз-бриллианты визуально кажутся на 10 – 15 % крупнее круглых при том же весе.
3. Пропорции и мастерство огранщика.
Небольшие изменения в глубине павильона или угле граней могут существенно влиять на восприятие размера.
Бриллианты в один карат (слева направо): с глубокой огранкой, с идеальной огранкой, с плоской огранкой
Почему это важно знать?
При покупке онлайн вы сможете точнее представить размер камня. Поймете, почему некоторые бриллианты выглядят крупнее при том же весе. Избежите разочарования — камень может весить один карат, но визуально казаться меньше.
Выбирая бриллиант, помните: настоящая ценность — не в миллиметрах, а в игре света и мастерстве огранки.
Карат против карата: вес или проба
Продолжая наш рассказ о маленькой мере больших ценностей, стоит разобраться в любопытном парадоксе: почему одно и то же слово обозначает и вес бриллианта, и чистоту золота. Эта языковая особенность — не случайность, а следствие многовековой истории ювелирного дела.
Возможно, вся путаница началась ещё в те времена, когда торговцы на восточных базарах использовали семена Рожкового дерева для многих целей одновременно. С одной стороны, они взвешивали ими драгоценные камни, а с другой — оценивали качество золотых монет.
В Римской империи существовала золотая монета — солид, введённая императором Константином I в начале IV века. Солидус весил около 4,5 г и делился на 24 части, называемые «силиква» ( siliqua ) [3]. Каждая «силиква» весила примерно 189 мг, что приблизительно соответствует массе семени Рожкового дерева.
Золотая монета, выпущенные в 309 году н. э. императором Константином. Солид (от лат. solidus «твёрдый, прочный; массивный»)
В то же время в арабских источниках (аль-Хорезми, IX в.) 1/24 часть называется «кират» [4]. И здесь «кират» — чисто математическое деление на 24 части, не связанное с реальным весом семян.
Это деление на 24 части стало основой для определения чистоты золота:
24 карата означают чистое золото,
18 карат — 75 % золота в сплаве,
14 карат — 58,5 % золота,
12 карат — 50 % золота.
Сегодня системы разделились, но сохранили общие корни:
Для камней (ct) — остался верен традиции: 1 ct = 0,2 г, ровно как вес тех самых семян. Для золота (K) — превратился в точную математику: 24K = 99,9 % золота.
Забавно, что в разных странах эту двойственность решают по-своему. В Европе пишут «carat» для камней и «karat» для золота. В России же оба слова звучат одинаково, поэтому так важно смотреть на обозначения: если после цифры стоит «ct» — перед вами вес камня, если «K» — проба золота.
Эта кажущаяся сложность на самом деле — элегантное решение, объединяющее древние традиции и современную точность. Как и столетия назад, «карат» остаётся универсальным языком, на котором говорят все ценители прекрасного — от античных ювелиров до современных геммологов.
В России используют метрическую систему проб: 375, 500, 585 (583) и 750. Это соответствует 9К, 12К, 14К и 18К каратной системе проб в Европе. Реже всего на рынке встречаются ювелирные работы 900 (22К), 958 (23К) и 999 (24К) проб
Заключение
Карат — это не просто единица измерения, а целая история торговли, науки и роскоши. Сегодня без него невозможно представить ювелирный мир, а его происхождение до сих пор удивляет любителей драгоценностей. За лаконичным обозначением «ct» скрываются века: от античных базаров с рожковыми семенами до высокоточных аналитических весов XXI века.
Он стал универсальным языком ювелирного мира — понятным и уважаемым на всех континентах. Именно карат определяет ценность, редкость и статус камня. Но ещё важнее то, что он придаёт числу 1,00 особый смысл: порой разница в сотую долю карата — это разница между обыденным и исключительным.
Сегодня, когда технологии позволяют измерять вес с точностью до микронов, значение карата только усиливается. Он остаётся не просто мерой массы, но и символом доверия, эстетического вкуса и инвестиционной состоятельности в мире ювелирного искусства. А его происхождение, уходящее корнями в античную метафору точности природы, до сих пор вызывает уважение у всех, кто ценит подлинное совершенство.
Источники
1. Comptes rendus des séances de la quatrième Conférence générale des poids et mesures [Отчеты о заседаниях четвертой Генеральной конференции по мерам и Весам] : tenue à Paris en 1907. — Paris : Bureau International des Poids et Mesures, 1907. — 94 p. 2. Бриллианты: диагностика, экспертиза, оценка : учебно-справочное пособие / Геммологический центр МГУ ; [Ю. Б. Шелементьев и др.]. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : МАКС Пресс, 2005. — 209 с.
3. Grierson Ph. Byzantine Coinage [Византийская чеканка монет] / Ph. Grierson. — Washington, D.C. : Dumbarton Oaks Research Library and Collection, 1999. 4. Roshdi Rashed. The Development of Arabic Mathematics: Between Arithmetic and Algebra [Развитие арабской математики: Между арифметикой и алгеброй] / Rashed Roshdi // Boston Studies in the Philosophy and History of Science [Бостонские исследования в области философии и истории науки]. — Dordrecht : Springer Dordrecht, 1994. — 382 p.
Читать
18.04.2025
История синтеза алмаза
Ле Шателье
1908 год
Синтез алмаза для современного химика столь же заманчивая задача, как получение философского камня для алхимика.
Подтверждение углеродной природы алмаза (XVII – XIX века)
Первые документально зафиксированные опыты над алмазами датируются 1694 годом. Флорентийские учёные Джани Аверани и Карло Тарджони, ученики великого Галилея, с помощью фокусирующей линзы показали, что алмаз горит, если его достаточно нагреть.
В 1704 году Исаак Ньютон в книге «Оптика» описал преломляющие способности различных веществ, в том числе и алмаза. Именно по показателю преломления Ньютон дал заключение об углеродной природе этого минерала.
Исаак Ньютон, эксперименты со светом
Весной 1772 года Антуан Лавуазье, воспользовавшись огромным увеличительным стеклом диаметром 84 см, сжёг алмаз в запаянном стеклянном сосуде. В более поздних тестах учёный определил, что при сгорании алмаза и древесного угля образуется один и тот же газ: двуокись углерода. Открытие убедило его, что и алмаз, и древесный уголь содержат один и тот же элемент, который он назвал «углеродом».
Антуан Лавуазье, сжигание алмаза в «зажигательной машине»
Спустя пару десятилетий, в 1796 году, английский химик Смитсон Теннант повторил опыт Лавуазье по сжиганию алмаза. В своём эксперименте он использовал золотой сосуд, а получаемый в процессе газ отводил в раствор с известковой водой. По тому, что в результате эксперимента выпадал мел, а также по его количеству Теннант определил вид и объём образующегося газа [1].
Отрывок из статьи Смитсона Теннанта «On the Nature of the Diamond», 1796 г.
В ходе своих экспериментов Теннант доказал, что при сжигании алмаза выделяется ровно столько же углекислого газа, сколько его образуется при сжигании древесного угля равной массы.
В начале XIX века эксперимент Лавуазье вновь был повторён английским химиком Гэмфри Дэви и его секретарем, начинающим физиком Майклом Фарадеем. Дэви не хотел признавать, что алмаз и уголь одной природы: один — прекрасный драгоценный камень, а другой — чёрный и пачкающий руки графит.
Гэмфри Дэви и Майкл Фарадей, эксперименты с алмазами
В 1814 году Дэви и Фарадей сожгли алмаз в колбе, наполненной кислородом. В результате в ней образовался только углекислый газ, что вновь доказало углеродный состав алмаза.
Смитсон Теннант
1796 год
Едва ли можно было усомниться в том, что он состоит из одних и тех же ингредиентов, что древесный уголь. Таким образом, химики могли больше не тратить время на выяснение химического состава алмаза (это был углерод, и ничего больше), а сосредоточиться на «сгущении» углерода до такой степени, чтобы коэффициент его рефракции не отличался от измеренного Ньютоном.
Первые попытки синтеза (XIX век)
Учёные-экспериментаторы успешно научились сжигать алмазы, а вот получить из угля сияющий кристалл оказалось не так просто.
Первый опыт по получению алмаза был проведён через девять лет после экспериментов Дэви и Фарадея, в 1823 году, российским учёным Василием Каразиным. Он взял смолистый остаток сухой перегонки дерева и подверг нагреванию, доведя его до белого каления. Полученный в результате эксперимента твёрдый минерал Каразин назвал «пирогоном», что означает «огнём рожденный». К сожалению до наших дней не дошли сведения о связи кристаллов пирогона с алмазами.
Шесть лет спустя, в 1829 году, очередную попытку создать алмаз предприняли французские учёные Каньяр де ла Тур и Жан-Николя Ганналь. Хотя результаты экспериментов были продемонстрированы во Французской академии в одно время, действовали они независимо друг от друга.
Каньяр де ла Тур представил на суд академии 10 трубок с кристаллами коричневого цвета, твёрдостью выше, чем у кварца. Но при проверке оказалось, что они легко царапаются алмазами и не реагируют на действие высоких температур. Из всего этого был сделать вывод, что это какие-то силикаты. Сам способ производства де ла Тур не раскрыл [2].
Ганналь же предусмотрительно отдал свои камни на экспертизу знаменитому парижскому бриллиантщику Шампиньи, который заключил, что это действительно алмазы. Однако учёное сообщество не подтвердило выводы ювелира. К тому же ни сам Ганналь, ни другие экспериментаторы не смогли повторить проведённый им процесс, заключавшийся чисто в химической реакции между двусернистым углеродом, водой и фосфором.
Журнал «Nature» [Природа] (книга 3)
1875 год
В настоящее время, когда физика и химия сделали столь значительные успехи, кажется, не безынтересно будет узнать каждому, почему ещё не делают искусственно алмазов и насколько наука продвинулась в этом вопросе?
Начало экспериментов с высоким давлением
Учёные 19 века интуитивно подходили к получению алмазов. Они руководствовались уже известными на то время условиями превращения алмаза в графит и пытались провести обратный процесс, рассчитывая в основном на высокие температуры. Только спустя 50 лет в экспериментах по синтезу алмаза стали учитывать такой важный параметр, как давление. Предполагалось, что температура дает подвижность атомам углерода, а высокое давление способствует перестройке структуры вещества, делая его более упакованным и твёрдым.
В 1878 году шотландец Джеймс Хенней начал проводить эксперименты по синтезу алмазов в специальных стальных трубках со стенками 4 см. В них он помещал костяное масло, смесь углеводородов и металлический литий. После запаивал и нагревал в специальных печах до красного каления. Только в 3 из 80 случаев эти трубки не взорвались, из них учёный и извлёк твёрдые прозрачные кристаллы. В 1880 году он заявил, что алмазы получены [3].
Однако, как выяснилось позже в результате рентгеновского анализа, алмазы оказались природными. Кто был автором фальсификации, сам Хенней или его помощники, достоверно не установлено. Тем не менее это была первая попытка создать алмаз при высоком давлении и температуре.
Чуть позже в опытах с давлением учёные пошли по более безопасному пути. Они использовали свойство железа, серебра, висмута и галлия расширяться при затвердевании, что создавало высокое давление внутри слитков.
В 1893 году Константин Хрущов проводил эксперименты по насыщению углеродом кипящего серебра с последующим быстрым охлаждением. В полученных слитках образовывались твёрдые кристаллы, которые царапали корунд — самый твёрдый после алмаза минерал, и сгорали при нагревании. По этим свойствам он сделал заключение, что получены были именно алмазы [4].
Не менее интересные опыты ставил в это же время французский учёный Анри Муассан [5].
Анри Муассан на фоне электродуговой печи
Он брал железо (чугун) с добавкой угольного порошка и плавил его в графитовом тигле (ёмкости для обжига или плавления материалов) при температуре 2 000 – 3 500 ⁰С в электродуговой печи. Когда по расчётам железо напитывалось углеродом, его выливали в ледяную воду. Из-за этого внутри слитка создавалось высокое давление, и образовывались твёрдые тёмные кристаллы (меньше 0,7 мм). Как и в опытах К. Хрущова, они царапали корунд и сгорали в кислороде.
Ряд учёных строили свои синтезы на предположении, что в природе алмаз формируется под достаточно высоким давлением, явно большем, чем возникающее при охлаждении металлов. Так, известный изобретатель паровой реактивной турбины англичанин Чарльз Парсонс провёл тысячи экспериментов по синтезу алмазов, начиная с 1887 года и заканчивая подробным докладом в 1918 году перед Королевским обществом.
Одна наиболее интересная серия синтезов заключалась в том, что учёный использовал утиное ружьё калибра 0,9 дюйма и стрелял из него в специально подготовленный массивный стальной блок. Ствол орудия предварительно заполнялся кислородом и ацетиленом, с избытком последнего. При выстреле 2 драхмами пороха поршень перемещался с точностью до 1/8 дюйма от конца, давая давление выше 15 000 атмосфер.
Установка Ч. Парсонса для получения алмаза
Чарльз Парсонс, из лекции перед Королевским обществом
25 апреля 1918 года
Из расплавленного слоя торцевой пробки был получен небольшой кристаллический остаток, из которого был выделен один неполяризационный кристалл, вероятно, алмаза, но слишком маленький, чтобы его можно было идентифицировать с абсолютной уверенностью.
Из-за отсутствия информации о физико-химических характеристиках алмаза и графита, а также точных методов различения между природными алмазами и алмазоподобными кристаллами скептики ставили под сомнение результаты работ К. Хрущова, А. Муассана, Ч. Парсонса и других экспериментаторов. Они склонялись к мнению, что полученные в результате синтеза кристаллы не что иное, как карбиды — соединения углерода с металлами.
Научное обоснование условий синтеза (XX век)
В 1915 году Лоуренс Брэгг и его отец, Уильям Брэгг, были удостоены Нобелевской премии «За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays)».
Кристаллические решетки графита (слева) и алмаза (справа)
Элементарная ячейка алмаза имеет кубическую решётку, содержащую 18 атомов углерода. Именно кристаллическая структура алмаза обуславливает его удивительные оптические, физические и химические свойства.
В 1938 году американские исследователи Фредерик Россини и Рой Джессап разработали метод получения чистых образцов кристаллического графита, что позволило получать достоверные и воспроизводимые экспериментальные данные для дальнейших расчётов [6].
В 1939 году советский физик, специалист по взрывчатым веществам и порохам Овсей Лейпунский, опираясь на работы Россини и Джессапа, впервые в мире рассчитал полную фазовую диаграмму углерода (графическое изображение параметров, при которых вещество становится твёрдым, жидким, газообразным или меняет свою структуру). На ней он представил все необходимые условия для получения алмаза в лабораторных условиях: давление 6 – 7 ГПа, температура 1 600 – 1 700 ⁰С, присутствие металла-растворителя (железо, никель и другие) [7].
Фазовая диаграмма Овсея Лейпунского
Хотя все теоретические предпосылки для синтеза алмаза были уже известны, практическое решение этой сложной технической проблемы потребовало более десяти лет интенсивных исследований.
Прорыв в технологии сверхвысоких давлений
Развитие технологии создания аппаратов высокого давления связано с лауреатом Нобелевской премии «За изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений» профессором Гарвардского университета Перси Бриджменом. Он рассматривал проблему получения алмаза как вызов своей изобретательности.
Перси Бриджмен (справа) в лаборатории, 1941 г.
Бриджмен и его сотрудники конструировали различные устройства высокого давления. В основном в них подопытный материал сжимался с четырёх сторон тетраэдрическими наковальнями из сверхпрочного материала, карболоя (карбида вольфрама, оцементированного кобальтом) [8]. В таком аппарате группе Бриджмена удалось синтезировать минерал гранат, в том числе ярко-красный гранат — пироп, естественный спутник природных алмазов в кимберлитовых трубках.
В экспериментах при нормальных условиях Бриджмен достигал давления в 45 ГПа. В 1941 году в его аппарате в процессе сжигания термита (смеси алюминия с оксидами различных металлов) в течение нескольких секунд давление доходило до 3 ГПа при температуре 3 000 ⁰С. Однако синтез алмаза на тот момент так и не удалось осуществить.
Перси Бриджмен
1941 год
Попытки добиться успеха в этой захватывающей проблеме привлекли весь спектр человечества: люди, от блестящих учёных до откровенных шарлатанов и жуликов, дарили ей свой ум и страсти.
Первые успешные синтезы (1950 – 1960-е годы)
15 февраля 1953 года впервые в мировой истории в одной из ведущих шведских компаний по производству электричества The ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), опираясь на исследования О. Лейпунского, алмазы были получены. Инженер Эрик Лундблад и его помощники Андерс Эриксон и Гуннар Валин осуществили эту технически непростую операцию в кубическом аппарате высокого давления.
Процесс заключался в том, что в танталовый контейнер помещался графит, карбид железа и термит, затем он запечатывался в блок и подвергался воздействию высокого давления и температуры. При 2 500 ⁰С и 8 – 9 ГПа в течение 2 минут получилось от 20 до 50 кристаллов алмаза размером 0,1 – 0,5 мм.
Шведские экспериментаторы не придали большого значения полученным результатом, так как расчет был на алмазы ювелирного качества и у них не было достаточных данных для воспроизведения процесса. Вследствие этого патент не оформлялся и информация о синтезе не публиковалась. Их первенство было установлено позже через суд.
В это же время американские ученые-сотрудники General Electric (GE) активно работали над конструкцией своего аппарата высокого давления и рассчитывали необходимые для синтеза алмаза технологические параметры. Проект был скрыт от глаз общественности и носил название «Сверхдавление».
Команда проекта «Сверхдавлние» (слева направо): Френсис Банди, Герберт Стронг, Говард Трейси Холл, Роберт Уэнторф, Энтони Неред, Джеймс Чейни
В июле 1953 года команда инженеров-химиков GE Френсис Банди, Герберт Стронг, Роберт Уэнторф, Говард Трейси Холл создали установку «Белт», что в переводе с английского означает «пояс», так как центральная часть, где происходил синтез, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Использование карбида вольфрама позволило поднять давление почти в два раза. Ведущая роль в этом процессе принадлежала Холлу, так как до этого он уже пробовал получить алмаз самостоятельно и пришёл в команду с проверенными наработками.
Принцип устройства реакционной ячейки аппарата высокого давления «Белт»
16 декабря 1954 года Холл с командой совершили синтез алмазов в танталовом контейнере из смеси графита с сульфидом железа при температуре 1 600 ⁰С и давлении 7 ГПа. Процесс длился от одной до трёх минут. Максимальный размер образовавшихся кристаллов — 0,8 мм.
Говард Трейси Холл
1954 год
Мои глаза уловили мерцающий свет от десятков крошечных кристаллов. Мои руки начали дрожать, колени ослабли и больше не давали опоры — я понял, что алмазы наконец-то созданы человеком.
Герберт Стронг со своим ассистентом Джеймсом Чейни работают с алмазным прессом, изобретенным командой GE в 1955 г.
Но прежде, чем заявить всему миру о своём успехе, необходимо было соблюсти оговорённые GE условия идентификации полученных камней(рентгенограмма, физико-химические свойства, оптические характеристики и другие). Поэтому только в марте 1955 года General Electric объявили всему миру о своём открытии и сразу приступили к запуску промышленного производства алмазов типа НРНТ ( High Pressure, High Temperature ).
В 1957 году GE сообщили об изготовлении 100 000 карат алмазного порошка. Правда, стоимость искусственных алмазов того времени была выше натуральных на 24 %.
Говард Трейси Холл на фоне тетраэдрического пресса, 1960 г.
Глядя на успехи зарубежных ученых, советское правительство не собиралось отставать от передовых стран в области синтеза алмазов, и 20 марта 1959 года распоряжением Совета министров СССР была поставлена задача за три года синтезировать и внедрить в производство технологию получения искусственных алмазов при высоких давлениях. Через год искусственные алмазы были получены в Институте физики высоких давлений Академии наук СССР группой Леонида Верещагина с помощью созданного им конструктивно простого и эффективного аппарата высоких давлений типа «чечевица» (прототипа современного аппарата «тороид») [9].
Схема аппарата Верещагина: 1 – цилиндрический графитовый нагреватель, 2 – контейнер высокого давления типа «чечевица», 3 – твердосплавная наковальня с лункой, 4 – стальные поддерживающие кольца
Менее чем через год на базе Центрального конструкторско-технологического бюро твердосплавного и алмазного инструмента (Институт Сверхтвёрдых Материалов АН УССР, г. Киев) под руководством Владимира Бакуля было организовано промышленное производство алмазов. Правда стоимость их поначалу составляла 135 рублей за карат, что в 30 раз дороже природных. Поэтому на протяжении последующих месяцев аппараты дорабатывались. И уже в 1963 году вполне доступный по материалам и стоимости выпуск алмазов был освоен и составил 3 млн карат синтетики в год, что позволило закрыть внутренние потребности и наладить экспорт [10].
Промышленная камера высокого давления для синтеза алмазов типа «чечевица» и «тороид»
Все последующие годы шла разработка и модернизация оборудования для производства НРНТ-алмазов, целью которой было снижение себестоимости и увеличение размеров получаемых кристаллов. Все-таки первые промышленные партии кристаллов были техническими, к ювелирному качеству ещё предстояло прийти. Теперь акцент сместился с создания необходимых параметров на удержание их постоянных значений в процессе роста алмаза длительное время.
Развитие технологий синтеза HPHT-алмазов
В 70-х годах компании General Electrics удалось получить первые образцы алмазов ювелирного качества размером до одного карата. Однако себестоимость их была слишком велика, чтобы конкурировать с натуральными камнями.
В 1989 году учёными и конструкторами Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (г. Новосибирск) создали уникальный аппарат высоких давлений БАРС (Беспрессовый аппарат «Разрезная сфера») [11].
Установка БАРС по выращиванию алмазов
Аппарат позволяет в реакционной ячейке объёмом порядка 2 см³ создавать давление до 8 ГПа и температуру до 1 800 ⁰С и очень точно выдерживать эти параметры неделями.
Схема реакционной ячейки аппарата БАРС
Реакционная ячейка кубической формы сжимается шестью твердосплавными поршнями, расположенными по вершинам октаэдра, которые в свою очередь сжимаются восемью стальными пуансонами, полученными при соответствующем разрезании сферы.
В начале 90-х с помощью установки БАРС удалось получить алмазы массой до 1,5 карат. После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура, БАРС-технологии и БАРС-кристаллы.
В дальнейшем конструкторы разных стран проводили модификацию подобных аппаратов. Так появились установки «Тороид» (Россия), разработкой которых занимался ещё Верещагин, «6/8 Каваи» (Япония), «Волкер» (США).
Аппарат Каваи: 1 – гидравлический пресс, 2 – масляный резервуар, 3 – стальные кольца, сжимающие первую ступень, 4 – шесть пуансонов первой ступени, 5 – восемь твердосплавных поршней второй ступени, образующих разрезной куб, 6 – октаэдрическая камера высокого давления, 7 – образец
Аппарат Волкера: а – шесть стальных пуансонов (вырезанных из цилиндра), представляющих собой первую ступень установки, с находящейся внутри их сборки из восьми твёрдосплавных или алмазных кубических пуансонов (вторая ступень), сжимающих октаэдрическую ячейку высокого давления, б – массивное стальное кольцо, в которое помещается первая ступень, в – схема приложения усилия 800-тонного гидравлического пресса ко всей сборке, г – общий вид установки
Приближаясь к нашему времени стоит отметить, что до сих пор ряд производителей используют установки типа «Тороид» и БАРС, но современные технологии синтеза ювелирных алмазов всё больше реализуются на многотонных кубических прессах, производством которых занимаются китайские компании.
Кубические пресса для производства алмазов, Китай
С середины 2010-х годов производители представляют широкой общественности рекордные лабораторные бриллианты по весу, цвету и чистоте: 10 карат, 15 карат, 17 карат.
Алмаз-рекордсмен 2015 года (30 карат), выращенный российской компанией New Diamond Technology
Эра синтеза CVD-алмазов
Интересный случай произошёл зимой 1942 года в Казани, куда был эвакуирован Ленинградский институт химической физики вместе с сотрудниками. Профессор Давид Франк-Каменецкий поранил руку и был вынужден отойти на пару недель от основной работы по созданию взрывчатки. Это время он решил посвятить теме синтеза алмазов [10].
Учёный предсказал возможность производства алмазов при пониженных давлениях. Он считал, что осуществить процесс в газовой среде, используя алмазные зародыши (затравку), будет легче. Франк-Каменецкий уделил больше внимания количеству углерода, необходимого для роста кристаллов, и рассчитал, что его не должно быть слишком много, иначе он образует графитные ячейки. Самым подходящим газом для синтеза, по мнению ученого, будет метан. При этом рост алмаза — довольно продолжительный процесс: 1 г камня будет расти примерно год.
Давид Франк-Каменецкий
1942 год
Все эти три фактора (температура, давление и количество углерода) должны находиться в строгом соответствии между собой, так что вполне естественно, что попытки выращивания алмаза в случайно подобранных, без предварительного расчёта, условиях никогда не приводили к успеху.
К сожалению война и более важные задачи на тот период не позволили продолжить эту работу. Учёный вернулся к получению взрывчатки, а его рукопись даже не была опубликована.
В 1956 году советские учёные Борис Спицын и Борис Дерягин исследовали метод по получению алмаза при пониженном давлении из газовой среды в присутствии тетрабромметана и четырёххлористого углерода. Эти эксперименты выявили необходимость введения атомарного водорода в зону кристаллизации для подавления образования графита и получения моно- и поликристаллических алмазных плёнок [12].
Кроме того, была показана возможность выращивания кристаллов размером до нескольких десятков микрон не только на затравочных алмазах, но и на инородных подложках. Эти разработки во многом определили основные тенденции в области создания алмазных и алмазоподобных пленочных материалов в условиях газовой среды при пониженном давлении [13].
И в 1962 году Уильям Эверсол из компании Union Carbide Corporation (USA) представил первую документально подтверждённую попытку по выращиванию алмазов при низком давлении с помощью процесса, известного как химическое распыление из газовой фазы ( chemical vapor deposition, CVD), и стал первым человеком, создавшим CVD-алмазы.
Схема получения алмаза методом CVD
По данным патента [14], Эверсол брал углеродсодержащий газ (метан, четырёххлористый углерод, угарный газ) и нагревал его в среднем до 1 000 ⁰С при пониженном давлении и присутствии затравок из кристаллов алмаза. Периодически приходилось останавливать процесс и очищать алмаз от накапливающегося графита.
Эксперимент хоть и имел положительный результат, показал весьма низкую скорость роста кристаллов, около 0,01 мкм/час. Поэтому реализация промышленного производства таких алмазов на то время оказалась экономически и технически нецелесообразной и была отложена на несколько десятилетий.
Только в начале 90-х годов японские химики запустили интенсивную программу изучения роли атомарного водорода в синтезе алмазов методом химического осаждения из паровой фазы. Муцуказу Камо, Сейичиро Мацумото и Йоичиро Сато добились скорости выращивания алмаза в несколько микрометров в час, превзойдя в этом Эверсола [15]. Так, с началом 2000-х наступила эра производства и CVD-алмазов.
Установка CVD-синтеза алмазов
В 2003 году Apollo Diamond удалось синтезировать CVD-алмазы условно ювелирного качества. Геммологический институт Америки (GIA) оценил первые образцы — мелкие коричневатые кристаллы, и не смог присвоить им какие-либо характеристики. Спустя четыре года та же компания представила геммологам GIA круглые бриллианты массой до 0,62 карата, цвета до E и чистоты до VVS1, бриллианты фантазийных оранжево-розовых (Fancy brown-pink, Fancy orange-brown etc.) и тёмно-коричневых цветов (Fancy Dark orangy brown).
Так CVD-метод пусть и с небольшим отставанием активно ворвался на рынок искусственных алмазов. В наши дни с его помощью получают более трети всех алмазов ювелирного качества. При этом в большинстве своем это крупные кристаллы — более 4 карат в сырье.
CVD-алмазы. Вокруг кристалла нарастает «шуба», поликристаллическая форма алмаза, срезаемая при огранке
Революция в синтезе: алмазы за доли секунды
В 2022 году российскими учёными был опубликован патент на «Способ детонационного синтеза поликристаллического алмаза» [16]. Суть этого метода состоит в получении порошка ультрадисперсных наноалмазов путём детонации взрывчатых веществ.
Алмазный порошок (слева), электронная микроскопия наноалмазов (справа)
Впервые в России такой синтез провели во ВНИИТФ под руководством академика Евгения Забабахина ещё в 1963 году, но на долгие годы метод был скрыт от общественности под грифом «секретно». Ультрадисперсные алмазы в то время не имели широкого применения из-за нескольких факторов:
сложная и дорогостоящая технология очистки от примесей и побочных продуктов взрыва; неоднородность полученного материала и трудности в контроле размера частиц; отсутствие понимания их уникальных свойств.
С наступлением эры наночастиц сфера применения алмазного порошка стала расширяться от полировочных паст и смазочных материалов до лекарственных препаратов и квантовых компьютеров. В результате этого интерес к производству наноалмазов растёт в геометрической прогрессии.
Заключение
Доктор Юмико Такеучи
Национальная лаборатория Брукхейвена, США, специалист по рентгеновской спектроскопии
Мы находимся только в начале пути понимания всех возможностей алмазов. Дальнейшие исследования позволят нам раскрыть ещё больше секретов этого удивительного материала и использовать его для решения важных научных и технологических задач.
Процессы совершенствования технологий не останавливаются и по сей день, как и растут области применения синтетических алмазов: помимо ювелирного рынка, это промышленность, электроника, медицина, оптика, строительная сфера и другие. Синтез алмазов переживает период бурного развития. Только Китай выпускает около 10 миллиардов карат в год.
Дальнейшее развитие этой области будет определяться как фундаментальными исследованиями, так и практическими потребностями различных отраслей промышленности. Успешное развитие рынка синтетических алмазов требует совместных усилий учёных, инженеров, производителей и регуляторов.
Источники
1. Tennant S. On the Nature of the Diamond [О природе алмаза] / S. Tennant // Philosophical Transactions of the Royal Society of London [Философские труды Королевского общества]. — 1797. — Vol. 87. — P. 123 – 127.
2. Cagniard de la Tour Ch. Étude des effets que l’action de la chaleur peut produire sur les bois, suivant leur espèce, leur âge et leur état hygrométrique, lorsque ces corps sont contenus dans des tubes de verre fermés des deux bouts [Исследование воздействия тепла на древесину в зависимости от её вида, возраста и влажности при нагревании в запаянных стеклянных трубках] / Ch. Cagniard de la Tour. // Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences [Еженедельные отчёты о заседаниях Парижской академии наук]. — 1851. — Vol. 32. — P. 295 – 296.
3. Hannay J. B. On the Artificial Formation of the Diamond [Об искусственном формировании алмаза] / J. B. Hannay, F.R.S.E., F.C.S. ; Communicated by Professor G. G. Stores, D.C.L., Sec. R. S. ; Received February 19, 1880 // Proceedings of the Royal Society of London [Труды Лондонского королевского общества]. — 1880. — Vol. 30. — P. 450 – 461.
4. Хрущов, К. Д. Получение осколков алмаза при быстром охлаждении расплавленного серебра, содержащего 6 % углерода / К. Д. Хрущов // Протоколы Журнала Русского физико-химического общества. — 1893. — Т. 25, вып. 3.
5. Moissan H. Nouvelles expériences sur la reproduction du diamant [Новые опыты по воспроизведению алмаза] / H. Moissan // Comptes Rendus de l'Académie des Sciences [Доклады Парижской академии наук]. — 1894. — Vol. 118. — P. 320 – 326.
6. Rossini F. G. Heat and Free Energy of Formation of Carbon Dioxide and of the Transition Between Graphite and Diamond [Теплота и свободная энергия образования двуокиси углерода и перехода между графитом и алмазом] / F. G. Rossini, R. S. Jessup // Journal of Research of the National Bureau of Standards [Журнал исследований Национального бюро стандартов]. — 1938. — Vol. 21, № 4. — P. 491 – 513.
7. Лейпунский, О. И. Об искусственных алмазах / О. И. Лейпунский // Успехи химии. — 1939. — Т. 8, вып. 10. — С. 1519 – 1534.
8 . Бриджмен, П. В. Новейшие работы в области высоких давлений / П. В. Бриджмен ; пер. с англ. А. И. Лихтера ; под ред. и с доп. Л. Ф. Верещагин. — Москва : изд-во и тип. Гос. изд-ва иностр. лит., 1948. — 300 с.
9. Верещагин, Л. В. Твердое тело при высоких давлениях : избр. тр. / Л. В. Верещагин ; предисл. Р. Г. Архипова, А. И. Лихтера. — Москва : Наука, 1981. — 286 с.
10. Рич, В. И. Неоконченная история искусственных алмазов / В. И. Рич, М. Б. Черненко ; ред. В. П. Большаков. — Москва : Наука, 1976. — 135 с.
11. Чепуров, А. И. Экспериментальное моделирование процессов алмазообразования / А. И. Чепуров, И. И. Федоров, В. М. Сонин ; науч. ред. А. И. Чепуров, А. Г. Кирдяшкин ; конструктор.-технол. ин-т монокристаллов. — Новосибирск : Изд-во СО РАН : ОИГГМ, 1997. — 196 с.
12. Spitsyn B. V. Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces [Рост алмаза из газовой фазы на алмазных и других поверхностях] / B. V. Spitsyn, L. L. Bouilov, B. V. Derjaguin // Journal of Crystal Growth [Журнал роста кристаллов]. — 1981. — Т. 52. — P. 219 – 226.
13. Spitsyn B. V. Diamond and Diamond-like Films: Deposition from the Vapour Phase, Structure and Properties [Алмаз и алмазоподобные пленки: осаждение из паровой фазы, структура и свойства] / B. V. Spitsyn, L. L. Bouilov, B. V. Derjaguin // Progress in Crystal Growth and Characterization [Прогресс в области роста и характеристик кристаллов]. — 1988. — Vol. 17, № 2. — P. 79 – 170.
14. Patent № 3030187 USA. Synthesis of Diamond [Синтез алмаза] : № 750309 : filed 23.07.1958 : patented 17.04.1962 / Eversole W. G. ; current assignee Union Carbide Corporation. — 5 p.
15. Mutsukazu Kamo. Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma [Синтез алмаза из газовой фазы в микроволновой плазме] / Kamo Mutsukazu, Sato Yoichiro, Matsumoto Seiichiro, Setaka Nobuo // Journal of Crystal Growth [Журнал роста кристаллов]. — 1983. — Vol. 62, № 3. — P. 642 – 644.
16. Патент № 2774051 Российская Федерация, МПК B01J 3/08(2006.01). Способ детонационного синтеза поликристаллического алмаза : № 2021129730 : заявл. 13.10.2021 : опубл. 14.06.2022 / Петров И. Л. (RU) ; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «СКН» (RU). — 10 с.
Читать
08.04.2025
CVD-метод получения алмазов
CVD ( Chemical Vapor Deposition — химическое газофазное осаждение) — это метод выращивания алмазов при пониженном давлении из углеродсодержащего газа, чаще всего — метана. В отличие от метода HPHT ( High Pressure, High Temperature ), при котором углерод кристаллизуется под воздействием экстремальных давлений и температур, в процессе CVD атомы углерода осаждаются послойно на подложку, формируя алмазную решетку.
Установки CVD-синтеза
CVD-установка, в которой происходит синтез, — это микроволновый плазменный реактор. При данном способе рост кристаллов происходит не в металлической смеси, как в HPHT-методе, а на специально подобранных подложках, являющихся затравкой и центрами послойного роста алмазов.
Установки CVD-синтеза
Ранее в качестве подложек использовали тонкие срезы натуральных камней, в настоящее время применяются чистые пластины CVD-алмазов без сколов и внутренних напряжений. Для бриллиантов размером 5 карат используют подложки 10×10 мм, для более крупных — 20×20 мм и больше.
Подложки из CVD-алмаза
Процесс CVD-синтеза
Процесс синтеза алмазов при данных условиях был описан ещё в 50-х годах прошлого века [1], но технически реализовать его с достаточной скоростью роста кристаллов удалось только в начале 2000-х. Суть его заключается в следующем.
Схема CVD-синтеза
Подложки укладываются на подложкодержатель и помещаются в камеру синтеза. Перед началом процесса из камеры откачивается весь воздух с целью удаления ненужных газов и частичек пыли. Даже мельчайшая пылинка может вызвать дефект в структуре кристалла.
С помощью магнетрона внутри камеры создается микроволновое излучение частотой 915 МГц или 2,45 ГГц в зависимости от аппарата и условий роста.
При 915 МГц осуществляют групповой рост алмазов в крупных промышленных установках. Количество получаемых кристаллов достигает 100 штук за раз. Таким способом выращивают сырьё для небольших камней, 1 – 2 карата.
При 2,45 ГГц синтезируют как один камень, так и несколько. Используются компактные лабораторные установки, и рост каждого камня отслеживается. При данной частоте облако плазмы можно растянуть до 100 – 120 мм и создать крупные кристаллы в одиночном режиме или несколько — в групповом. Однако зона роста ограничена диаметром плазмы. На образование сырья для получения бриллиантов весом один карат уходит около двух недель.
В камеру роста подается смесь газов из метана, водорода, кислорода, иногда бора и азота, которые под влиянием микроволнового излучения образуют облако плазмы. При мощности 6 кВт и давлении 200 — 250 торр плазменное облако расширяется до размера подложки.
Когда необходимый размер плазмы получен, на магнетрон подают рабочее напряжение в 4 кВт, а давление повышают до 300 – 350 торр. При таких условиях достигается оптимальная скорость роста кристаллов, 20 – 25 мкм/час. Если использовать более низкое давление, скорость будет ниже, и наоборот, чем ближе давление к атмосферному, тем скорость выше, но при этом падает качества получаемого сырья. При атмосферном давлении плазма узкая и скорость роста достигает 50 мкм/час. Однако кристалл в этом случае растёт преимущественно в высоту, не увеличиваясь в ширину.
Соотношение газов смеси
Метан — источник ионов углерода для строительства алмаза. Его избыточное количество увеличивает скорость роста сырья, но ухудшает качество.
Водород в зоне кристаллизации препятствует переходу алмаза в графит и способствует образованию высокореактивных ионов углерода. Он составляет основную массу газовой смеси [2].
Кислород способствует увеличению скорости роста алмазов. Его применяют не всегда и не более 1%.
Азот используют для получения желтых камней. Его доля не должна превышать количество метана.
Бор — используется для синтеза голубых алмазов и электропроводящего сырья. Однако из-за опасности процесса голубые алмазы чаще получают путем электронного облучения на ускорителе частиц [3].
Температура в облаке плазмы достигает 3000 – 4000 ⁰С, а на подложке поддерживается в районе 900 – 1200 ⁰С. Чем больше разница температур, тем выше скорость, но ниже качество.
Смотровое окно в установке CVD-синтеза
В смотровое окно установки можно наблюдать, как меняется цвет облака плазмы, от белого до насыщенного розового. Розовый означает, что углерод вышел из зоны активного воздействия плазмы.
Процесс роста CVD-алмаза
За одну итерацию можно вырастить алмаз толщиной около 5 мм. После чего камень достают, очищают от образующейся на нем в процессе синтеза поликристаллического налета («шубы»), чистят и саму камеру от накопившихся поликристаллов, которые со временем начинают перетягивать на себя облако плазмы и влиять на качество сырья. Алмаз вновь загружается, и процесс повторяется. Для выращивания крупных камней необходимо от двух до трех итераций.
Процесс роста CVD-алмаза
В процессе синтеза получается квадратные кристаллы, которые с помощью лазера освобождают от «шубы». Перед огранкой камень проверяют на наличие внутренних напряжений и делают разметку наиболее чистых зон.
CVD-алмаз на выходе из реактора (слева), очищенное от «шубы» сырьё (в центре), готовый бриллиант (справа)
Качество алмазов зависит от параметров процесса и положения подложки относительно облака плазмы. Так как в центре облака концентрация ионов углерода выше, то те кристаллы, что получились на крайних от центра подложках, имеют низкое качество и по цвету, и по чистоте. Такие камни составляют до 15 – 20% продукции и могут быть отбракованы, проданы как тёмные или подвергнуты изменению цвета.
Облагораживание CVD-бриллиантов
Изменение цвета бриллианта при HPHT-отжиге
Для изменения цвета сырья применяется отжиг методом HPHT: камень под давлением в 1000 атмосфер нагревают до 1000 ⁰С. Процедура называется облагораживанием и используется как для синтетических алмазов, так и для природных. Таким образом можно значительно повысить цвет камней, сделав их более привлекательными [4]. Таким образом, CVD-метод представляет собой высокотехнологичный и экологичный способ синтеза алмазов, позволяющий точно контролировать параметры роста и получать кристаллы высокого качества. Благодаря гибкости процесса и возможности масштабирования, CVD стал одним из ключевых способов производства как ювелирных, так и технических алмазов. Источники
1. Patent № 3030187 USA. Synthesis of diamond [Синтез алмаза] : № 750309 : filed 23.07.1958 : patented 17.04.1962 / Eversole W. G. ; current assignee Union Carbide Corporation. — 5 p.
2. Spitsyn B. V. Diamond and Diamond-like Films: Deposition from the Vapour Phase, Structure and Properties [Алмаз и алмазоподобные пленки: осаждение из паровой фазы, структура и свойства] / B. V. Spitsyn, L. L. Bouilov, B. V. Derjaguin // Progress in Crystal Growth and Characterization [Прогресс в области роста и характеристик кристаллов]. — 1988. — Vol. 17, № 2. — P. 79 – 170.
3. Тетерук, Д. В. Легирование алмаза, выращенного методом газофазного осаждения / Д. В. Тетерук, С. А. Тарелкин, В. С. Бормашов [и др.] // Химия и химическая технология. — 2014. — Т. 57, вып. 5. — С. 56 – 57.
4. Патент № 2324764 Российская Федерация, МПК C23C 16/27(2006.01), C30B 23/08(2006.01), C30B 25/10(2006.01), C30B 29/04(2006.01), C30B 33/02(2006.01). Отжиг монокристаллических алмазов, полученных химическим осаждением из газовой фазы : № 2006104552 : заявл. 14.07.2004 : опубл. 20.08.2008 / Хемли Расселл Дж. (US), Мао Хо-Кванг (US), Янь Чжи-Шию (US) ; патентообладатель Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон (US). — 6 с.
Читать
08.04.2025
Детонационный метод получения алмазов
Детонационный синтез алмазов (ДСА) — это способ получения алмазов через взрыв углеродсодержащих веществ в контролируемой среде. Данный способ отличается от производства алмазов при высоком давлении, температуре (HPHT) и химическом газофазном осаждении из паровой фазы (CVD) тем, что происходит за доли секунды. В результате образуются не крупные минералы, а поликристаллические наночастицы алмаза.
Алмазный порошок, образующийся при детонации взрывчатых веществ (слева), электронная микроскопия наноалмазов (справа)
Суть метода ДСА
Впервые в России детонационный синтез был осуществлён во ВНИИТФ академиком Е.И. Забабахиным в 1963 году. Но, как и CVD-метод в советские времена, в связи с успешным развитием производства алмазов при высоком давлении и температуре, был признан нецелесообразным и на долгие годы погребён под грифом «секретно». Тем не менее работы в рамках лаборатории не останавливались [1].
Лабораторная установка ИПХЭТ СО РАН. Внешняя крышка камеры выдерживает давление в десятки атмосфер
Суть метода заключается в кратковременном ударном воздействии на реакционную массу, представляющую собой графит или другой углеродсодержащий материал, либо их смесь с металлами. Температура при детонации не задаётся заранее, как при статическом синтезе. Она определяется состоянием исходного вещества и давлением сжатия [2].
Схема детонационного синтеза алмазов
Способы детонационного синтеза
Существует три основных способа детонационного синтеза алмазного порошка.
Способ, использующий ударные волны от взрыва для создания высоких давлений (до 100 ГПа) и температур (до 3000 К) в прочных контейнерах (ампулах) с графитом и металлом. Металл повышает давление, снижает температуру и быстро охлаждает алмаз. За микросекунды образуются поликристаллы размером до нескольких десятков микрон (в основном 7 – 10 мкм) [3]. Благодаря особым условиям синтеза, полученные алмазы обладают в два раза большей абразивной способностью по сравнению с обычными техническими порошками, и, соответственно, имеют более высокую стоимость.
В 1973 году был осуществлён способ получения алмазов путём детонации смесей взрывчатых веществ с исходным углеродным материалом [4]. Для предотвращения окисления и термического разрушения алмазных частиц, детонация взрывчатки происходит в герметичной камере, заполненной инертным газом. Преобразование углерода в алмаз может достигать 50 %. Конечный состав при этом зависит от параметров детонации. Полученный алмаз представляет собой дисперсный порошок с размером кристаллитов 6 – 10 нм и большой удельной поверхностью, варьирующейся от 20 до 150 м²/г.
Согласно исследованиям Г.В. Саковича и его коллег [5], образование алмазов возможно при детонации конденсированных взрывчатых веществ с дефицитом кислорода, таких как тринитротолуол, в охлаждающей среде. Такие вещества при разложении выделяют «свободный углерод», который и преобразуется в алмазы. Ультрадисперсные алмазы (УДА), полученные при таком способе, имеют размер частиц 2–6 нм и площадь поверхности до 350 м²/г. Эти свойства обеспечивают их высокую сорбционную и химическую активность.
Электронная микроскопия ультрадисперсных алмазов (увеличение в 700 раз)
Применение детонационных алмазов
Наноалмазы, благодаря своим уникальным свойствам (высокая твёрдость, химическая инертность, большая площадь поверхности, биосовместимость, способность к люминесценции), находят широкое применение в различных областях науки и техники:
Абразивные материалы: абразивные пасты, полировальные составы и антифрикционные покрытия.
Медицина и биомедицина: адресная доставка лекарств, биосенсоры, визуализация опухолей, стимуляция роста костной ткани, антибактериальные покрытия и противоопухолевая терапия.
Электроника: теплоотводы, компоненты транзисторов и других электронных устройств, холодные катоды и аккумуляторы.
Композитные материалы: в качестве добавок к полимерным, металлическим и керамическим композитам.
Косметика: эксфолианты, оптические модификаторы и носители активных ингредиентов в глубокие слои кожи.
Другие области: компоненты смазочных материалов, фильтров, а также в качестве кубитов и сенсоров в квантовых технологиях.
Таким образом, алмазы, полученные методом детонации, представляют собой универсальный материал, находящий применение в самых разных сферах. Благодаря непрерывному развитию технологий синтеза и последующей обработки, их потенциал для решения различных задач в науке и технике продолжает расти.
Источники
1. Даниленко В. В. Из истории открытия синтеза наноалмазов / В. В. Даниленко // Физика твёрдого тела. — 2004. — Т. 46, № 4. — С. 581 – 584.
2. De Carli P. S. Formation of Diamond by Explosive Shock [Образование алмаза в результате взрывной волны] / P. S. De Carli, J. C. Jamieson // Science [Наука]. — 1961. — V. 133, № 3467. — P. 1821 – 1822.
3. Ставер, А. М. Ультрадисперсные алмазные порошки, полученные с использованием энергии взрыва / А. М. Ставер, Н. В. Губарева, А. И. Лямкин [и др.] // Физика горения и взрыва. — 1984. — Т. 20, № 5. — С. 100 – 104.
4. Ададуров, Г. А. Физико-химические превращения веществ в ударных волнах с участием газов / Г. А. Ададуров // Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева. — 1990. — Т. 35, № 5. — С. 595 – 599.
5. Сакович, Г. В. Получение алмазных кластеров взрывом и их практическое использование / Г. В. Сакович, П. М. Брыляков, В. Д. Губаревич [и др.] // Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева. — 1990. — Т. 35, № 5. — С. 600 – 602.
Читать
07.04.2025
Бриллиант: формы и элементы огранки
Природные и лабораторные алмазы не используются в украшениях в том виде, в каком их добывают из-под земли или получают на производстве. Свою ценность как ювелирные изделия они обретают, когда становятся бриллиантами.
Алмаз в природе (слева) и бриллиант (справа)
Бриллиант — это алмаз, которому с помощью огранки придали определенную форму, максимально проявляющую его свойство отражать и преломлять свет. В переводе с французского слово «бриллиант» означает «сверкающий». Именно огранка превратила алмаз в главным драгоценным камень ювелирного мира.
Хотя алмаз как ценный камень был известен ещё до нашей эры, его не гранили, полагая, что при этом он теряет свои мистические силы. Только в IV веке нашей эры индийские мастера начали обрабатывать природные алмазы по естественным граням. Узор бриллиантовой огранки зародился в Европе в конце XVII века с развитием понимания оптических свойств алмаза и техники его обработки. С тех пор наибольшее распространение получила круглая форма бриллианта с 58 гранями. Но 58-я грань — калетта — не является обязательной, поэтому современные бриллианты имеют 57 граней.
Элементы огранки круглого бриллианта
Алмаз является самым твердым минералом по шкале Мооса благодаря кубической кристаллической решетке из атомов углерода. Само слово «алмаз» переводится как «твердейший». Такое уникальное свойство камня делает невозможным создание двух абсолютно одинаковых бриллиантов, однако все они имеют общую структуру [1].
Элементы огранки
Рундист — пояс по периметру самого широкого сечения бриллианта, разделяющий камень на нижнюю и верхнюю половинки.
Павильон — нижняя часть бриллианта, расположенная под рундистом (24 грани).
Основные грани низа — восемь четырёхугольных граней, сходящихся к калетте.
Корона — верхняя часть бриллианта, расположенная над рундистом (33 грани).
Площадка — восьмиугольная основная грань на поверхности короны.
Грани звезды — восемь одиночных клиньев верха, примыкающих к площадке.
Основные грани верха — восемь четырёхугольных граней на короне.
Эталонная форма бриллианта была предложена Марселем Толковским в 1919 году в работе Diamond Design, где он описал ход света в огранённом алмазе [2]. При соблюдении выведенных им пропорций и углов камень проявляет максимальный блеск и игру света: диаметр площадки — 53 % от диаметра по рундисту, угол короны — 34°30′, угол павильона — 40°45′. Эти параметры подтвердились на практике при оценке высококачественных бриллиантов.
Идеальные параметры огранки по Толковскому
Фантазийные формы бриллиантов
Хотя пропорции Толковского до сих пор считаются эталоном, мастера-огранщики всегда стремились сохранить максимальную массу алмаза и раскрыть его природную красоту новым способом. Так со временем появились альтернативные формы огранки, которые на ювелирном рынке называют фантазийными [3].
Формы огранки бриллиантов
Фантазийные формы условно делятся на три группы:
Клиньевые, визуально похожие на круглые: «Овал», «Маркиз», «Груша», «Сердце», «Кушон» и другие.
Ступенчатые, выделяющиеся ярусами, или ступенями: «Багет», «Изумруд», «Ашер» и другие.
Смешанные, сочетающие в себе особенности клиньевого и ступенчатого гранения: «Принцесса», «Радиант», «Октагон» и другие.
Процентное соотношение типов огранки, продающихся на Мумбайской Алмазной бирже, за основу взят размер камней весом один карат:
Круглая огранка — 56,6 %
«Кушон» — 8,7 %
«Овал» — 7,3 %
«Груша» — 7,0 %
«Изумруд» — 5,7 %
«Принцесса» — 5,3 %
«Радиант» — 4,5 %
«Сердце» — 2,5 %
«Маркиз» — 2,4 %
Преобладание круглых бриллиантов объясняется их оптимальной способностью отражать свет, легкостью установки в изделия и отсутствием острых углов, которые могут быть подвержены сколам.
Тем не менее современные технологии огранки позволяют создавать разнообразные по форме и блеску бриллианты. Ювелиры умело оформляют эти камни, раскрывая их индивидуальность. Благодаря этому каждый бриллиант становится не просто эстетическим выбором, а выражением вкуса, характера и стиля. Он способен стать как сокровищем коллекции, так и бесценным подарком на всю жизнь.
Источники
1. Кузнецов, А. С. Параметры огранки алмазов и их влияние на стоимость бриллиантов / А. С. Кузнецов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2003. — №7. — С. 84 – 88.
2.Tolkowsky M. Diamond Design: A Study of the Reflection and Refraction of Light in a Diamond [Дизайн бриллианта: исследование отражения и преломления света в алмазе] / Marcel Tolkowsky. — London, New York : Spon, Spon & Chamberlain, 1919. — 104 р.
3. Бриллианты: диагностика, экспертиза, оценка : учебно-справочное пособие / Геммологический центр МГУ ; [Ю. Б. Шелементьев и др.]. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : МАКС Пресс, 2005. — 209 с.
Читать
07.04.2025
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.
Кубический пресс (слева), аппараты БАРС (справа)
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.
Виды реакционных ячеек: кубический пресс (слева), БАРС (справа)
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.
Схема ячейки роста алмаза
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.
Цветные HPHT-алмазы
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].
Самый большой камень, полученный этим методом в 2020 году российской компанией ООО «Нью Даймонд Технолоджи», Санкт-Петербург, 129,47 карата
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
1. Лейпунский, О. И. Об искусственных алмазах / О. И. Лейпунский // Успехи химии. — 1939. — Т. 8, вып. 10. — С. 1519 – 1534.
2. Пальянов, Ю. Н. Где растут алмазы / Ю. Н. Пальянов // Наука из первых рук. — Новосибирск : ИНФОЛИО, 2008. — № 1 (19). — С. 12 – 31.
3. Смит, Г. Драгоценные камни / Г. Смит ; пер. с англ. [А. С. Арсанов и др.]. — 3-е изд., доп. — Москва : АСТ, Астрель, 2006. — 511 с.
Читать
Отзывы
Нет элементов для отображения
Мы рады обратной связи!
Оставьте отзыв о товаре и работе нашего сервиса. Он поможет определиться с выбором другому покупателю.
