Синтетичний, або штучний, алмаз – імітація натурального мінералу, що нічим не поступається оригіналу. Синтезовані алмази не мають дефектів, чистіші та твердіші, ніж натуральні.
Що таке штучні алмази та діаманти
Синтетичні алмази виробляють у лабораторіях за декількома методиками. Щоб їх виготовити, потрібне дороге обладнання та якісна сировина. Найбільш відомі HPHT-алмази або CVD-алмази.
Якісний синтетичний діамант (діамант, що піддався обробці) зовні не відрізняється від оригіналу, а також збігається за фізико-хімічними властивостями. Тому грамотніша назва таких каменів – «вирощені (чи створені) в лабораторії», тому що поняття «синтетичні» у людей зазвичай асоціюється з неякісною імітацією.
Швидка швидкість синтезу штучної копії (камінь масою 1 карат створюється 5 діб) дозволяє помітно знизити ціну нього, проти натуральним каменем.
В даний час зафіксовано найбільший штучний алмаз масою в 34 карати.
Штучні аналоги самоцвіту виробляють у найбільших кількостях у Китаї, США, Японії, Росії, Ірландії, ПАР.
Різновиди штучних алмазів: фіаніт, муасаніт, циркон, топаз, білий сапфір, алюмоітрієвий гранат, стрази.
Додатково дивіться про муасаніт:
Історія каміння
У у вісімнадцятому сторіччі вчені з'ясували хімічну будову натурального мінералу. Тоді ж уперше народилася думка, щоб відтворити його штучним шляхом. Довгий час спроби створення синтетичного алмазу зазнавали краху. Але в 1920-х роках це таки вдалося.Було створено перший штучний алмаз.
Новинка не відрізнялася досконалістю, тому вчені не стояли на місці.
Дрібні штучні самоцвіти гарної якості були зроблені в 1953 році шведським ученим, який сконструював установку, в якій зразок стискався поршнями з різних боків. синтез із підривом.
Колірна гама лабораторного каміння
Найбільш затребуваними вважаються традиційні безбарвні алмази.
З кольорових прийнято виготовляти:
- жовті (домішка азоту);
- сині (домішка бору);
- чорні (домішка нікелю).
Рідше виготовляють рожеві, бузкові, червоні, зелені.
Відтінки кольорових синтетичних аналогів можуть бути від блідих, ледь помітних до насичених.
Як вирощують кристали
Для виробництва штучних алмазів використовують кілька технологій.
- HPHT – термобаричний спосіб (температура і тиск). Камені, отримані цим методом, коштують відносно недорого, тому що витрати не високі. каталізаторів.
- CVD – метод хімічного осадження з газової фази Камені, вирощені даним методом, використовують в оптиці та електроніці.
- Вибуховий синтез.З графіту під високим тиском за рахунок детонації вибухових речовин виробляють штучну копію.
- Ультразвукова кавітація. В органічний розчинник додають суспензію графіту за нормальних умов, і під дією ультразвукової кавітації вирощують штучний мінерал.
В даний час найбільш популярним є отримання алмазів за допомогою перших двох методик.
Дивіться передачу про виробництво синтетичних каменів:
Сфери застосування та можливості, що відкриваються
Ідеальні самоцвіти використовуються у ювелірній справі. Недосконалі екземпляри використовуються в промисловості.
- Промислові алмази використовують у виробництві підшипників, свердл.
- З алмазної крихти роблять напилення різального та шліфувального інструменту.
- Алмазний порошок застосовують у металургії, машинобудуванні, оборонному комплексі.
- Алмазні пасти використовують для створення особливо точних деталей.
- Синтетичні кристали використовують в електроніці для створення голок, прошарків у мікросхемах, лічильниках.
- У медицині використовують для виробництва інструментарію, надпотужного лазера.
- Високі технології теж не обійшлися без синтетичного алмазу – його використовують для створення стільникових телефонів.
Порівняльні характеристики каменів
Зовнішньо відрізнити штучний самоцвіт від натурального дуже складно. Імітація немає ні вкраплень, ні дефектів, має самі фізико-хімічні властивості, як і оригінал.
Але відрізняє імітацію та оригінал терміни та шляхи отримання самоцвіту. Натуральні камені формуються мільйони років у природному середовищі, копії ж виготовляються за лічені години (1–2 мг/год) у лабораторіях.
Побачити відмінності можна за допомогою професійного обладнання. При збільшенні у 80 разів і більше видно зернисту структуру синтетичного каменю.А ще відомо, що вони реагують на магніт. Якщо покласти самоцвіт на білий аркуш паперу і при цьому по краю каменю буде видно білу смугу, то швидше за все він штучний.
У разі спеціалізованої лабораторії можна знайти відмінності з допомогою флюоресцентного аналізу, Раманівської та інфрачервоної спектрометрії, спектроскопії.
Розроблено спеціальні прилади для ідентифікації кристалів: DiamondSure і DiamondView.
Продовження теми дивіться відеосюжет:
Вартість синтетичних кристалів
Зовні оригінал та імітація – невідмінні: немає домішок, ні дефектів. Вартість за діоксид цирконію починається від 1,5 доларів за 1 карат, муасаніту – від 75 доларів за 1 карат. Жовтий алмаз коштує від 200 доларів, а рожево-жовтогарячий – від 3000 доларів за 1 карат.
Натуральні алмази – ресурс, який незабаром висохне. За деякими даними земля вже вичерпала ресурси для виробництва натурального мінералу. Тому виробництво штучних самоцвітів дедалі більше набирає популярності.
Чи ви знали про існування штучних алмазів? Розповідайте про свій досвід у коментарях. Діліться статтею з друзями у соцмережах. Усього доброго.
Синтетичний діамант почали робити нещодавно. Цей процес не є таким вже й легким, а потребує серйозних витрат. Застосування такого штучного кристала не обмежується лише ювелірною справою, алмази дуже потрібні у техніці. Наприклад, з них виготовляють спеціальний різальний інструмент. Для того щоб зрозуміти, що являють собою штучні алмази, потрібно для початку розібратися, що таке справжній алмаз.
Алмаз – найтвердіший мінерал у світі
Перш за все, те, що ми бачимо в ювелірному магазині – це діамант – це алмаз, який пройшов спеціальну попередню обробку ювелірами. , Як побудована структура, може виступати у вигляді багатьох речовин, які мають різні властивості та застосування.
Наприклад, усім відомо, що зараз у світі переходять на нанотехнології. Нанотехнології називають такі технології, суть яких побудована на об'єктах дуже малої величини — тисячними частками мікрона. Одними з таких об'єктів є нанотрубки. , також є формою вуглецю. Справа в тому, що один атом речовини може поєднуватися з п'ятьма іншими, що і так являє собою. компактну структуру. Серед атомів, які мають такі можливості, має найменшу масу, а відповідно і радіус атома.
Якщо атоми вуглецю об'єднуються у щось схоже на м'яч для футболу — це називатиметься фулеренами та нанотрубками, а також моношаром вуглецю — графен, за отримання якого нещодавно вручили Нобелівську премію, в майбутньому, швидше за все, будуть дуже широко використовуватися в техніці. Вони цікаві своїми надміцними властивостями, а також провідністю низьким. Опіром і розмірами Найбільша цінність нанотрубок – виступати як провідниками, так і напівпровідниками, залежно від того, як орієнтовані атоми між собою.
До цього часу вчені не дійшли однозначного висновку про те, звідки беруться алмази.Основна версія говорить про те, що кристали формуються глибоко в Землі (більш ніж 200 кілометрів) під великим тиском і величезною температурою. А потім уже магма їх викидає на поверхню. з метеоритами. Ще одна версія теж говорить про космічне походження: нібито діаманти формуються під час падіння. метеорита, коли створюється високий тиск.
Камені дуже рідкісні і красиві.
- алмаз має найвищу твердість серед мінералів;
- температура його плавлення сягає 4000 градусів;
- теплопровідність найвища серед усіх відомих твердих тіл;
- він відноситься до діелектриків;
- має унікальне спотворення світла, під дією різних променів може почати світитися;
- не розчиняється у кислоті.
Історія одержання мінералів
У 1797 році було відкрито, що алмаз складається з чистого вуглецю. З тих пір почалися спроби повторити процес в умовах лабораторії. . На відміну від Ханнея, який використовував трубку для нагріву, Муассан використав електродугову піч зі стрижнями вуглецю, що розташовувалися всередині блоків вапна.
Розплавлене залізо після нагріву швидко охолоджували водою. Все це робили для того, щоб забезпечити високий тиск.
Перший офіційний штучний алмаз було створено 1926 року. Для його створення об'єднувалися всі методи, які перераховані вище. Наразі цей зразок досі зберігається у музеї у Сполучених Штатах Америки.
Але це ще не той зразок, який можна було б поставити на серійне виробництво. Найбільший внесок у створення та розробку методів отримання діамантів вклав Сер Чарльз Алджернон Парсонс – саме він протягом 40 років намагався повторити перші досліди Ханнея і Муассана. Він був дуже ретельним і зберіг отримані зразки для подальших досліджень. Пізніше заявив, що все, що було створено раніше, не є штучним діамантом.
1941 року до розробки методики отримання алмазів приєднується компанія General electrics. У них вдалося нагріти вуглець до 3000 градусів і отримати тиск 5 ГПа. Проте їм завадила Друга світова війна, і лише за 10 років вони відновили роботи з проекту. Під час цих розробок використовувалися ковадла з карбіду вольфраму в гідравлічному пресі. Проте всі умови синтезу були настільки невизначеними, що повторювати експерименти не вдавалося.
У 1954 році було створено перший штучний алмаз, який годився для комерційного синтезу. Однак він був дуже маленького діаметру, всього частки міліметра, тому не міг бути використаний в прикрасах, проте добре підходив для промисловості. Опис роботи з його створення було опубліковано у найпрестижнішому науковому журналі Nature.
З 1953 року компанія ASEA – виробник електроніки зі Швеції – теж почала займатися незалежним синтезом алмазів. Робота йшла за допомогою громіздкого апарату, який підтримував тиск на рівні 8,4 ГПа протягом години.Але їм також вдалося отримати екземпляри лише маленького розміру.
У Кореї у вісімдесятих роках з'явився конкурент зі створення алмазів – компанія «Ільїн Алмаз». Вона придбала комерційну таємницю від General Electric і змогла синтезувати синтетичні алмази у 1988 році.
Як сьогодні вирощують діаманти?
У промисловому виробництві зараз ширше використовується технологія вирощування кристалів при високих тисках і температурах, звана HPHT, а також технології CVD.
Технологія HPHT включає в себе отримання алмазів при температурі 1500 градусів і тиску 50 атмосфер. розміщуються затравки – невеликі кристали алмазу. Крізь камеру проходить струм, який нагріває розплав до потрібної температури.
Кристали вирощуються на заправці у формі алмазу Процес вирощування більш-менш великого або декількох дрібних кристалів триває в середньому близько 12 діб. Зараз виробництво штучних алмазів доходить до випуску мільярдів каратів на рік. та якості.
З 1960-х років розпочали розробку більш дешевої технології отримання алмазів CVD, що означає Chemical Vapor deposition, яка уявляє себе осадження з фази газу.
Синтез відбувається при осадженні вуглецю на підкладку в середовищі з водневого газу, який іонізується за допомогою випромінювання та високих температур. При осадженні полікристалічний алмаз (кремній) отримує пластини, що мають обмежене застосування в електроніці та оптиці.
Швидкості зростання абсолютно різні, які можуть досягати 100 мікрометрів на годину. Товщина пластин зазвичай обмежена 2-3 міліметрами, тому отримані алмази можна використовувати як ювелірні, але не перевищують 1 карат. Можливості цього моменту почали популяризуватися у 2000-х та привернули увагу як стартапів, так і великих корпорацій, що дало сильний поштовх до розвитку методу.
Потенціал HPHT останнім часом був дуже недооцінений, і вся увага та ресурси були зосереджені на вдосконаленні методу хімічного осадження. Ця технологія, як здавалося, була непридатною для вирощування кристалів великого розміру та високої якості. Але останнім часом технології вдосконалюються та виходять штучні алмази такої якості та розміру, якими раніше могли бути лише натуральні.
Відмінність натуральних діамантів, які найчастіше мають прозорі кольори, полягає ще в тому, що синтетичні мають легкий відтінок. Азот, який розсіюється в структурі решітки під час зростання алмазу, поглинає блакитний колір, внаслідок чого синтетичний алмаз набуває жовтуватого відтінку.
Інші замінники діамантів
Крім штучних діамантів, широко використовуються їх замінники, які увійшли до ювелірної промисловості у сімдесятих роках минулого століття. Спочатку Фізичний інститут Академії Наук отримав фіаніти, які були кубічним цирконієм. Це, так би мовити, скельця серед алмазів. Згодом з'явилися такі замінники діамантів, як кришталь, циркон, білий сапфір. Особливою популярністю користувалися такі камені у виготовленні каблучок у вікторіанському стилі.
Також з'явився такий замінник діамантів, як нексус, який є сполукою вуглецю з іншими речовинами і відрізняється міцністю і твердістю.
Для виготовлення фіанітів використовують діоксид цирконію. Він вважається найменш міцними зі всіх замінників діамантів, а відповідно, і найдешевшим. Муасаніт, який синтезується з карбіду кремнію і є найміцнішим з усіх каменів, схожих на діаманти, і має такі зовнішні характеристики, що його навіть складно відрізнити від справжнього каменю. Відмінність всіх штучних каменів від натуральних, які можна помітити неозброєним оком – це вартість, для інших відмінностей необхідне обладнання та досвід.
Однак іноді синтетичні діаманти за ціною не поступаються натуральним, тому що величезні витрати витрачаються на їхнє виробництво. Основна відмінність штучного діаманта від натурального в тому, що в натуральних діамантах присутні неоднорідності та включення, які відсутні штучно отримані мінерали.
Придбати прикраси із синтетичного діаманта можна, і це буде значна економія порівняно з натуральним. Якщо ви хочете купити прикрасу максимально недорого, то віддавайте перевагу фіанітам.Їхнє сяйво не поступається натуральному діаманту, але у нього трохи гірше характеристики міцності та твердості, що впливає на експлуатаційні властивості. Муасаніт має найбільш яскравий блиск, що до певної міри створює ефект дискотеки. Фіаніт не має такого сяйва, як алмаз штучний або муасаніт, але краще відкидає відблиски.
Муасаніти практично не піддаються зовнішньому впливу, а ось фіаніти з часом дряпаються і вбирають олію. Крім того, якщо їх не доглядати, на поверхні каменю накопичуються подряпини, він стає каламутним.
Таким чином, технологія отримання діамантів досі перебуває на стадії розробки. На відміну від рубінів і сапфірів, отримати діамант будь-якого розміру чи якості неможливо, і часто він може бути дорожчим за оригінальний, оскільки витрачається величезна кількість часу та ресурсів.
Яке майбутнє ринку синтетичних алмазів, чим відрізняються технології їх виробництва і чи можна заробити на цьому камені?
Споконвіку люди прагнули знайти альтернативу дорогим, але привабливим каменям – природним алмазам. І справа не лише в їхньому застосуванні в ювелірному бізнесі. Алмаз має рідкісні якості – твердість і теплопровідність, що дозволяє використовувати його для механічної обробки твердих матеріалів і дорогоцінного каміння, а також у виробництві промислових бурів і ріжучих інструментів.
Перший досвід синтезу штучного алмазу належить французькому вченому Анрі Муассану, який в 1893 отримав перші алмази методом кристалізації з розчину в залізному розплаві. На жаль, розмір отриманих кристалів був дуже малий.На честь Муассана був названий аналог натурального алмазу муасаніт, який поряд з фіанітом служив дешевшим замінником натурального каміння доти, доки людство не навчилося робити штучні алмази.
Синтетичні алмази для промисловості з'явилися лише у середині ХХ століття. Як стало відомо пізніше, перші придатні для застосування з технічною метою камені були отримані шведською електротехнічною фірмою «Asea» у 1963 році. При цьому сам факт отримання та виробництва алмазів тримався в таємниці. Секрет був оприлюднений лише через кілька десятиліть у суперечці за першість з іншою фірмою зі США.
Зараз сфери застосування алмазу – це ріжучі інструменти, що обробляють у вигляді алмазних дисків, інструментальних вставок з алмазними наконечниками, алмазних чашок для шліфування і полірування. Алмази застосовуються в мікроелектроніці, силовій та НВЧ електроніці, фотоніці, лазерній техніці, детекторах іонізуючого випромінювання.
При цьому існують дві основні технології синтезу штучних алмазів: технологія High-Pressure High-Temperature (HPHT), коли камені створюються за дуже високих температур і тиску, і технологія Chemical Vapor Deposition (CVD), при якій відбувається пошаровий молекулярний синтез алмазу із суміші газів метану та водню в умовах вакууму та мікрохвильового випромінювання. Остання технологія найкраще підходить для отримання чистих об'ємних алмазів та алмазних пластин із чітко заданими параметрами.Управляючи рецептом синтезу, цим методом можна виготовляти оптичні алмазні пластини із заданим рівнем світлового пропускання, пластини, що відводять для електроніки та лазерів з необхідним значенням теплопровідності, ювелірну сировину у вигляді кубиків з певним кольором.
Однією з нових галузей застосування штучних алмазів є космічна промисловість. Так, стартап CVD-Spark (входить до групи компаній «Техноспарк») нещодавно виготовив оптичні алмазні пластини для вікон космічного приладу в рамках проекту Московського авіаційного інституту «Сонце-Терагерц», запущеного на Міжнародну космічну станцію (МКС) для дослідження випромінювання сонця . Взагалі плюс технології виготовлення алмазів CVD перед HPHT в тому, що за допомогою першої можна виготовляти великі за площею алмазні пластини.
Крім того, алмази CVD-Spark використовуються в тих випадках, коли є потреба відвести велику кількість тепла з тепловиділяючого елемента малого розміру (мікросхема, НВЧ або силовий транзистор, напівпровідниковий або дисковий лазер). У таких випадках застосовується не мідь (найпоширеніший матеріал для тепловідведення), а алмаз, адже його теплопровідність у шість разів більша, ніж у міді.
Знаходить своє застосування і алмазне напилення в побутовій електроніці, комп'ютерах, телефонах – зараз у деяких флагманських моделях смартфонів робиться алмазне напилення на задню кришку або на процесор для того, щоб тепло максимально ефективно відводилося від процесора і розсіювалося на кришці.
У медицині використовуються алмазні скальпелі з алмазним напиленням – при операціях з їх використанням утворюється менше рубців після загоєння тканин.
Штучні алмази, зроблені за технологією CVD, також використовуються як детектор іонізуючого випромінювання в апаратах променевої терапії, так звані протонні ножі. роздільною здатністю. При опроміненні протонами можна з високою точністю впливати на ракові. клітини, не ушкоджуючи при цьому клітини здорових тканин, тому променева терапія почала широко розповсюджуватись зараз при лікуванні онкологічних захворювань.
Однак у таких апаратах необхідно дуже точно фіксувати дози опромінення, які отримують пацієнти. з'являється електричний струм дуже малої величини (електролюмінесценція), який перераховується приладом до кількості радіації.
Електролюмінесценція та детекторні властивості алмазу також застосовуються для визначення рівня радіаційної активності у басейнах витримки відпрацьованого ядерного палива на атомних електростанціях, у прискорювачах частинок для визначення положення у просторі та кількості потоків частинок з високою енергією.
Алмази «з повітря»
Технологія виробництва алмазів із суміші газів CVD (Chemical Vapor Deposition) розвивається відносно недавно – з 1980-х років. раніше заміщалися натуральними.Справа в тому, що штучні алмази приблизно в 10 разів дешевші за натуральні, і можуть бути синтезовані у великих розмірах і із заданими властивостями.
До того ж штучні алмази мають ряд переваг перед натуральними. Так, в ювелірній промисловості для виготовлення кольє та браслетів часто потрібно підібрати ряд приблизно однакових за розмірами та забарвленням каменів. Зробити прикраси з натурального каміння, кожен з яких індивідуальний, дуже непросто. А ось синтезувати ряд однакових алмазів штучно цілком реально лише за 2-3 тижні.
У промисловості переваги штучних алмазів ще значніші: справа в тому, що у натурального каміння бувають небажані включення інших мінералів. А ось камені, що отримуються за технологією CVD, відрізняються дивовижною чистотою. Крім того, натуральне каміння має обмежений розмір, кілька міліметрів. Якщо ж потрібен кристал розміром 10 на 10 мм або пластина діаметром 25-50 мм, то таких натуральних каменів просто не буває, а ось синтетичні – так. Навіть, якщо якийсь рекордний натуральний камінь знаходиться, ніхто не різатиме його на пластинки, щоб використовувати в лазерах, оптиці, електроніці або детекторах. Тут на допомогу прийде тільки синтетичний алмаз.
Крім того, напрацьована практика дозволяє визначати заздалегідь, яку теплопровідність і оптичну пропускальність і детекторну чутливість матиме ця штучна алмазна пластина. Також на етапі зростання синтетичних алмазів можна проводити їх легування – впровадження в кристалічну решітку атомів інших хімічних елементів, отримуючи з алмазів матеріал із напівпровідниковими та квантовими властивостями.
Зазвичай для технічних застосувань спочатку синтезуються алмазні пластини великих розмірів – завтовшки до 2-3 мм та діаметром до 100 мм. Потім із цих великих пластин лазером вирізується багато маленьких елементів різних форм і розмірів під конкретні застосування. Потім ці пластини шліфуються та поліруються до досягнення необхідного рівня шорсткості.