Осколки звезд — алмазы. Природные и рукотворные

Алмазы всегда занимали особое место среди минералов. Эллины считали их  осколками падающих звезд. В средние века люди верила в целебные свойства минерала, что порождало самые необычные лечебные практики с их использованием, вплоть до употребления алмазного порошка с пищей. 

На сегодняшний день алмаз служит не только для изготовления ювелирных украшений, но и успешно используется в промышленных целях и в науке. Магия этих минералов до сих пор манит людей, хотя таинственный некогда процесс их рождения давно расшифрован учеными и освоен людьми.

Из чего состоит процесс лабораторного выращивания алмазов? Чем отличается природный минерал от искусственно выращенного? ПОИСК разберется в этом вопросе  вместе с Мариной Кудриной, президентом ассоциации Национальные ювелирные бренды России, руководителем ювелирного акселератора, издателем журнала JEWELRY GARDEN, и Олегом Ткачевым, сертифицированным геммологом и геологом с большим опытом в поиске и оценке драгоценных камней и металлов.

Как появляются на свет природные алмазы?

О происхождении этого минерала существовали разные легенды и теории. Так, в Индии - стране, где были обнаружены первые алмазы, считалось, что эти минералы возникают из 5 начал природы: земли, воды, неба, воздуха и энергии. В китайских легендах IV века н. э. о происхождении алмаза сообщалось, что он растет подобно сталактитам в королевстве Фу-Нан на дне моря, на многометровой глубине. А немецкий химик Юстус фон Либих (1803-1873) предположил, что алмазы могут быть даже продуктами гниения.

Для того чтобы узнать истинную природу минерала, исследователи проводили самые разные эксперименты. Например, для изучения происхождения алмаза в середине XVII века ставились опыты нагревания в закрытых сосудах алмаза и рубина. В тот момент, когда с рубином ничего не происходило, от алмаза не оставалось и следа, что ставило в тупик исследователей и противоречило закону сохранения материи.

Два столетия спустя английский химик Смитсон Теннант (1761-1815) повторил этот опыт и смог доказать, что кристаллы алмаза, нагреваемые в окружении кислорода, исчезали не полностью, а превращались в газ. Теннант детально изучил газ, полученный от горения минерала, и сделал вывод, что он полностью соответствует газу, получаемому при сгорании древесного угля, который по составу представляет собой чистый углерод. Это позволило утверждать, что и алмаз полностью состоит из углерода.

Природные алмазы образуются на глубине от 100 до 200 километров под воздействием высокого давления и температуры. Самые крупные месторождения алмазов находятся в Африке, России, Канаде и Австралии. Идеальные условия для образования алмазов — сильная тектоническая активность. Поэтому их месторождения связаны с кимберлитовыми трубками, которые образовались несколько сотен миллионов лет назад в результате прорыва магмы сквозь земную кору.

Как алмазы попали в кимберлитовую трубку? В этом вопросе мнения ученых различаются. Например, Томас Джордж Бонней (1833–1923), считал, что алмазы образовались в глубинной эклогитовой магме на большой глубине и в кимберлиты  (горные породы внутри кимберлитовых трубок) попали случайно. А вот Алфеус Фуллер Уильямс (1874-1953), напротив, полагал, что алмаз — первичная составная часть кимберлита, которая впоследствии выкристаллизовалась из него.

Кимберлитовые трубки — это не единственные, но самые крупные и «богатые» источники месторождения алмазов: на них приходится добыча около 90% природных минералов.  Помимо этого, алмазы могут добываться в лампроитовых трубках и в местах падения метеоритов, хотя последнее бывает гораздо реже из-за очень ограниченного количества таких месторождений.

Где, помимо ювелирной индустрии, применяются алмазы?

Если раньше алмазы и продукты их обработки — бриллианты - были лишь желанным украшением, символом роскоши, то с конца XIX века этот минерал начинают активно применять в производстве и науке.

Ценным сырьем для промышленности алмазы делают их высокая твердость, теплопроводность и оптическая прозрачность. Для каких задач производства применяется это минерал?

• Бурение: алмазы используются при  создании инструментов (коронок, долот и расширителей) для бурения твердых пород.
• Обработка материалов: алмазы применяются для резки, шлифовки и полировки таких материалов, как стекло, камень и металл.
• Медицина: из алмазов производят инструменты с высокой точностью и долговечностью — стоматологические бормашины и хирургические инструменты, например, скальпели.
• Электроника и оптика: алмазы применяются в производстве полупроводников и оптических приборов, например, лазеров и детекторов.

Применимы также модификации этого минерала — алмазные порошки, представляющие собой дробленые низкосортные алмазы. Алмазный порошок используют в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках и т.д.

На сегодняшний день только 5% добываемых алмазов используют в ювелирном деле. Общих стандартов при отборе минералов для промышленности и науки нет — все зависит строго от отрасли. Например, лучше всего для бурения подходят тонкозернистые карбонадо (разновидность кубического алмаза черного цвета), их предпочитают из-за повышенной твердости. Но чаще всего в промышленности и науке используют неприменимые для огранки минералы — непрозрачные алмазы с многочисленными включениями.

Благодаря своим уникальным свойствам алмазы также широко применяются в научных исследованиях.

• Квантовые вычисления: алмазы могут использоваться для создания квантовых компьютеров.
• Исследования: с помощью алмазов изучают свойства различных материалов, например, их теплопроводность или прочность.

История возникновения технологии выращивания алмаза

Первые попытки производства искусственных алмазов были предприняты в начале XX века. Однако несовершенство технологий того времени не позволило добиться успеха.

В 1939 году советский физик Овсей Лейпунский (1909-1990) впервые вычислил необходимые для выращивания алмазов условия. После увольнения из Института химической физики по политическим мотивам ученый перебивался кратковременными заработками, в том числе написанием статей для журналов. В своей работе , опубликованной в журнале «Знание-сила», Лейпунский  сформулировал общие положения для создания минералов. По мнению автора статьи, графит можно было бы превратить в алмаз при одновременном воздействии высокого давления (не ниже 60 000 атмосфер) и высокой температуры (не меньше 2 000 градусов Кельвина), то есть, воссоздав природные условия образования минерала. Увы, на момент публикации статья Лейпунского осталась незамеченной научным сообществом.

А в 1953 году группа шведских ученых создала специальную установку для выращивания алмазов, близко воспроизводившую при своей работе параметры, высчитанные Лейпунским. Кубический образец углерода подвергался очень высокому давлению (83 000 атмосфер) и высокой температуре (2 400 градусов Кельвина). Такая конструкция позволяла производить искусственные алмазы и таким образом способствовала повышению производительности и снижению финансовых издержек в промышленной сфере.

Позже были разработаны методы синтеза алмазов, такие как метод температурного градиента, осаждение из газовой фазы (CVD-метод) и HPHT-метод — синтез алмазов при высоком давлении и температуре. Последний близок к природным условиям формирования алмазов.

Выращенные или искусственные?

Почему искусственные алмазы нередко называют выращенными? Потому что самый распространенный способ их воссоздания (HPHT-метод) — процесс, который имитирует естественное формирование алмазов в природе. Этот процесс включает в себя нагревание и давление на углеродсодержащие материалы.

В отличие от природных алмазов, которые формируются естественным путем на протяжении миллионов лет, выращенные минералы создаются за гораздо более короткий срок — от нескольких недель до нескольких месяцев. Тем не менее выращенные в лаборатории алмазы обладают физическими и химическими свойствами, аналогичными природным. И даже опытные ювелиры не всегда могут сразу их различить.

Бриллиант Кр-57 0.142 3/6 А. Изображение полученное с помощью детектора катодолюминесценции на сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA3. Изображение: tescan.ru

Для производства искусственных алмазов в промышленных масштабах  используются HPHT-метод и CVD-метод.

«Процесс производства выращенного алмаза основан на получении кристалла, который потом подвергается огранке. В первом случае (HPHT-метод) алмазный порошок (измельченный природный алмаз) помещают в специальную камеру высокого давления и с высокой температурой, где он затем преобразуется в монокристалл алмаза. Во втором (CVD-метод) — в специальную камеру подаются газы, содержащие углерод. Далее углерод осаждается на пластинку опять же с алмазным порошком, образуя кристалл алмаза. Второй способ позволяет создавать кристаллы различного цвета. И в первом, и во втором случае полученные кристаллы затем гранятся», — разъясняет Марина Кудрина.

Согласно статистике примерно 98% алмазов, полученных  в лабораторных условиях, создаются HPHT-методом.

Алмазы и фианиты — в чем отличие?

Если с точки зрения химических и физических характеристик лабораторно выращенные и природные алмазы идентичны, в чем между ними различия?

• Выращенные алмазы не имеют истории формирования в недрах земли, как природные минералы.
• Искусственные алмазы дешевле натуральных из-за более короткого процесса производства и отсутствия необходимости в затратах на  поиск месторождений и организацию добычи.
• Природные минералы могут иметь естественные включения и дефекты, выращенные алмазы обычно более чистые.
• Некоторые выращенные алмазы могут быть окрашены искусственно для достижения определенного оттенка, что невозможно для природных минералов.

Олег Ткачев подчеркивает: «За счет контроля процесса качества алмаза искусственно выращенные алмазы получаются зачастую лучше, чем природные. Природа оставляет в алмазе «отметины»: включения, линии роста, трещины и прочее. В искусственных алмазах это маловероятно».

Если с разницей в созданных природой и искусственно выращенных алмазах все более-менее понятно, то что представляет собой их весьма известная в ювелирном деле альтернатива — фианит?

Разница между ними в том, что фианит — синтетический материал, который лишь имитирует внешний вид алмаза (бриллианта). К слову сказать, создавался этот материал вовсе не для ювелирных нужд. Технология производства фианитов была разработана в СССР в 1970-х годах для использования в лазерах. А назван материал был в честь Физического института Академии наук (ФИАН), где он и был создан.

Фианиты имеют схожую с алмазами структуру кристаллической решетки, но их химический состав отличается. Фианит состоит из диоксида циркония (ZrO₂) и различных примесей для изменения цвета, а бриллиант — из углерода. Фианиты намного дешевле алмазов (бриллиантов).

Как используют искусственные алмазы ювелиры?

Затрагивая тему об использовании искусственных алмазов, важно рассказать, что его связывает с его «близнецами» — бриллиантами и что отличает от них. Алмаз и бриллиант — разные формы одного и того же минерала. Алмаз — это необработанный минерал, который образуется в недрах Земли. Бриллиант — тот же алмаз после огранки, по сути, «ювелирное» название минерала. Огранка придает алмазу форму, раскрывает его блеск и игру света.

Выращенные алмазы сегодня активно используются в ювелирном деле. Причем все чаще искусственные минералы встречаются не только в изделиях массового производства, но и в эксклюзивных коллекциях. Например, международная корпорация De Beers создала отдельный бренд Lightbox, который продает украшения только с камнями, выращенными в лабораторных условиях. Еще один международный бренд, который специализируется только на выращенных в лабораторных условиях бриллиантах различной огранки и размеров, создаваемых на заказ — Grown Brilliance. Sokolov — российский бренд ювелирных украшений - выпустил отдельную коллекцию с выращенными бриллиантами Di Diamonds. В ее ассортимент было включено около 300 ювелирных изделий из красного и белого золота с выращенными бриллиантами от 0,3 до 1 карата.

Не в последнюю очередь выращенные алмазы (бриллианты) становятся популярнее за счет курса на экологичность. Так, согласно исследованию, свыше 80% опрошенных заявили, что готовы платить за ювелирное изделие больше, если процесс его создания будет минимально воздействовать на окружающую среду.

Как проверить бриллиант — выращенный он или природный?

Бриллианты, выращенные в лабораториях в 1970-е годы, могли иметь желтоватый оттенок. Но на сегодняшний день определить происхождение минерала невооруженным глазом не смогут даже геммологи. Покупатель же сделать  этого и подавно не в состоянии. Между тем, мало отличаясь друг от друга по своим свойствам, природные и искусственные алмазы (бриллианты) сильно различаются по стоимости производства и соответственно  цене. Цена на выращенные бриллианты может отличаться от цены на природные бриллианты на 30-50% и даже больше. Причины ценовой разницы — в доступности лабораторных камней, которые могут производиться в большом количестве и не зависят от затрат на добычу, как природные.

«Геммолог точно знает, какое оборудование использовать для определения, что перед ним: натуральный или лабораторный камень. Кроме того, у выращенного бриллианта всегда есть сертификат, где будут описаны все характеристики. Но сертификат — это не окончательная гарантия. Так что, если вы задумали  приобрести камень, обязательно воспользуйтесь услугами эксперта-геммолога. Он сравнит, совпадают ли характеристики сертификата с самим камнем, подскажет, верны ли они и соответствуют ли заявленной стоимости камня. Геммолог необходим в любом случае: и при покупке природного, и при покупке выращенного камня. Лабораторно выращенный бриллиант в целом имеет химико-физические показатели такие же, как и у природного камня. И точно так же его стоимость зависит от его характеристик, таких как вес (карат), цвет, чистота и огранка», — советует Марина Кудрина.

Валерия Стопичева

О том, как производят и для чего используют искусственно созданные рубины и сапфиры, читайте в нашем следующем материале.

Изображение на обложке: AI-generated by A.Romantsova