Текст книги "От алмаза до бриллианта"

Автор книги: Валерий Ваганов

Соавторы: Богдан Прокопчук

Жанры:

Детская образовательная литература

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 10 страниц)

Назад к карточке книги

Друзья-соперники

Наша книга посвящена алмазу как естественному природному образованию, но не коснуться хотя бы вкратце такого вопроса, как искусственное получение алмазов, невозможно. Ведь здесь слились воедино и опыт десятков исследователей, действовавших методом «проб и ошибок», и блестящий научный прогноз, и удивительное мастерство и упорство экспериментаторов, и, наконец, практический «результат», экономический эффект которого измеряется не в миллионах, а в миллиардах рублей.

Стоит человеку хотя бы приближенно уяснить, что представляет собой то или иное естественное вещество, как он тут же начинает соревноваться с природой, пытаясь получить то же вещество искусственно (из более дешевых исходных материалов и более экономичным путем). При этом конечная цель – превзойти природу, создать аналогичные вещества, но с новыми, необычными свойствами.

И алмаз в этом отношении не явился исключением. Как только опытами А. Лавуазье, С. Теннанта, X. Деви было установлено, что алмаз и графит химически суть одно и то же, а именно элемент углерод, и что алмаз переходит в графит при нагревании до 1500 °C без доступа воздуха, сразу же возникла мысль о возможности осуществления и обратного перехода, т. е. о получении искусственного алмаза из графита или какого-либо другого углеродсодержащего соединения. И начались опыты.

Дело казалось простым, ясным и беспроигрышным. Надо, представлялось широкому кругу лиц, только поместить углеродсодержащее вещество в какую-то герметическую емкость (лучше всего запаянные металлические цилиндры или трубы), затем нагреть ее как можно больше и резко охладить. Остается вскрыть емкость и извлечь оттуда образовавшиеся алмазы. Провести такой опыт может практически каждый. И неудивительно, что в экспериментаторов нередко превращались клерки и врачи, аптекари и коммерсанты – многие жаждали превратить такой дешевый материал, как уголь, в драгоценные бриллианты.

Аналогичные опыты в тех или иных вариантах проводили и настоящие ученые: французы Каньяр-Латур, А. Муассан, Ганкаль, чехи Фридлендер и Хасслингер, немцы Вольф и Баумень, англичанин Ченнел, русские исследователи В. Н. Каразин и К. Д. Хрущев.

Постепенно сложилось мнение, что в синтезе алмазов давление играет по крайней мере не меньшую роль, чем температура. Собственно говоря, эта мысль подспудно присутствовала и в более ранних опытах, так как при резком охлаждении расплавленного материала должны развиваться высокие давления.

Аналогичным образом рассуждал английский минералог Б. Хенней: алмаз образуется из углерод содержащих веществ в результате воздействия высоких температур и давлений; при этом углерод сначала растворяется в расплавленном металле, а затем в результате резкого охлаждения и возникающих при этом гигантских давлений кристаллизуется в виде алмаза.

В период с 1878 по 1880 г. Б. Хенней поставил ряд опытов. В толстостенную железную трубу, стянутую для прочности стальными кольцами, помещалась смесь из 90 частей парафина, 10 частей костного масла и 4 частей металлического лития. Ханней полагал, что при высоких температурах парафин и костное масло будут разлагаться с выделением свободного углерода, а последний будет тут же поглощаться расплавленным литием.

Заваренную трубу, набитую на 3/4 упомянутой смесью, Хенней поместил в печь и нагрел до темно-красного каления (характерно, что такую процедуру до конца выдержали только три трубы из 80), а затем резко охладил в баке, наполненном раскрошенным льдом. Одна из остывших труб была распилена, из нее извлекли черный спекшийся брикет. После необходимых аналитических процедур в данном брикете обнаружили 11 блестящих кристалликов, которые прекрасно резали стекло и не растворялись ни в каких кислотах.

Однако результаты Хеннея не вызвали особого интереса – слишком много в то время ходило сенсационных слухов о синтезе алмазов. После смерти исследователя его камни были переданы в Британский музей и помещены в застекленную витрину с этикеткой «Искусственные алмазы Хеннея».

Прошло свыше 60 лет, и вот в 1943 г. английские ученые Ф. Баннистер и К. Лонсдейл заинтересовались таинственными кристаллами Б. Хеннея. Проведенное этими учеными рентгенографическое изучение камней показало, что все они, без сомнения, являются алмазами. Так неужели же Хенней действительно впервые в истории получил искусственные алмазы? Баннистер и Лондсдейл решили повторить опыты Хеннея, пунктуально воспроизведя все их условия. Результаты были полностью отрицательными.

К. Лонсдейл, учитывая, что свойства алмазов, якобы полученных Хеннеем, существенно отличаются друг от друга, допускала, что эти камни на самом деле естественного происхождения, даже из различных природных источников (месторождений). Существует версия, будто бы помощник Хеннея, которому надоело возиться с опасными опытами, подложил в одну из труб кристаллики настоящих алмазов. Вообще же тайна «алмазов Хеннея», покоящихся на черном бархате в витрине одного из залов Британского музея, до сих пор не разгадана.

Постепенно для ученых становилось все яснее, что главным параметром, определяющим успех синтеза алмазов, является давление. Но как повысить его в ходе опытов? Один из возможных способов – взрыв. Так, еще в 1897 г. итальянец Майорана поместил в обычную «нагревательную» трубу заряд пороха, считая, что в результате взрыва разовьются давления, достаточные для образования алмазов. Но алмазы так и не получились.

Другой способ получения высокого давления – давить прессом. Англичанин Ч. Парсонс в своих опытах довел давление до 980 МПа, а американец У. Бриджмен – до 41,65 ГПа, но, несмотря на это, им так и не удалось искусственно получить алмаз. Однако теоретические и практические работы У. Бриджмена, лауреата Нобелевской премии, основоположника современной техники получения высоких давлений, подготовили будущий успех в осуществлении синтеза алмазов.

В итоге разнообразных исследовательских работ было установлено, что для получения искусственных алмазов необходимы необычайно высокие температура и, главное, давление. Высокие – но какие? Нужно было получить несколько вполне конкретных цифр, для чего необходимо было решить задачу чрезвычайной сложности – расшифровать природные закономерности.

Именно это и было совершено советским ученым Овсеем Ильичом Лейпунским. В 1939 г. он опубликовал свою знаменитую теоретически рассчитанную диаграмму – диаграмму фазового состояния углерода в различных условиях. Из диаграммы следовало, что для перехода графита в алмаз необходимы температуры около 2000 °C и давления не менее 6 ГПа. Кроме того, О. И. Лейпунский обосновал необходимость применения специальных растворителей (жидких металлов) для ускорения перехода графита в алмаз. Сформулированное этим ученым рациональное сочетание трех условий, необходимых для синтеза алмазов (значения температуры, давления и наличие определенной среды), лежит в основе подавляющего большинства современных методов производства синтетических алмазов при высоких статических давлениях.

Итак, после публикации О. И. Лейпунского стало ясно, как превратить графит в алмаз. Осталось технически реализовать эту идею. И во многих странах мира закипела работа, однако с началом второй мировой войны она была почти везде практически свернута. И наверное, не случайно, что первой страной, где удалось получить синтетические алмазы, стала не участвовавшая в войне нейтральная Швеция, где в 1953 г. успеха добилась группа под руководством Б. Платена и Э. Лундблада, работавшая под эгидой Всеобщей шведской электрической компании (ASEA).

Однако компания столь тщательно засекретила свой успех, что о нем стало известно лишь спустя десять лет.

Параллельно аналогичные работы велись и в других странах. В США крупнейшая компания «Дженерал электрик» перед войной заключила договор с группой физиков, возглавляемых У. Бриджменом. Компания предоставила ученым полную свободу действий и неограниченные средства. В 1953 г. была изготовлена мощная установка «Белт», на которой достигалось давление в 20 ГПа при температуре 5000 °C. И после ряда неизбежных неудач 16 декабря 1954 г. на установке «Белт» были получены синтетические алмазы. «Дженерал электрик» запатентовала свое открытие и приступила к промышленному производству искусственных алмазов в 1955 г., опередив первооткрывателей шведов, слишком перемудривших с засекречиванием. В 1957 г. компания объявила, что изготовила 100 тыс. карат алмазных порошков и что стоят они чуть-чуть дороже порошков из природных алмазов.

После войны проблема получения искусственных алмазов чрезвычайно остро встала и в нашей стране. Поставки алмазного инструмента по ленд-лизу прекратились, отечественные природные алмазы пока еще не имели промышленного значения, а синтетические алмазы продавались американскими и шведскими фирмами по ценам, сопоставимым с ценами бриллиантов. Поэтому Академией наук СССР было поручено трем ученым – Л. Ф. Верещагину, Ю. Н. Рябинину и В. А. Галактионову – продолжить начатые еще перед войной работы по синтезу алмазов. И в 1958 г. были получены первые советские синтетические алмазы (из них были изготовлены сувенирные гравировальные карандаши, один из них преподнесен в дар академику П. Л. Капице). В 1960 г. на экспериментальной аппаратуре ученые добились стабильного получения искусственных алмазов.

Однако одно дело – получать синтетические алмазы на лабораторной установке, и совсем другое – разработать промышленную технологию и наладить производство алмазов в масштабах, обеспечивающих все потребности отечественной промышленности. Нужны были люди, готовые принять на себя большую ответственность по организации такого уникального производства. И такие люди конечно нашлись.

В том же 1960 г. в Москве встретились Л. Ф. Верещагин и В. Н. Бакуль, тогда возглавлявший Центральное конструкторско-технологическое бюро (ЦКТБ) твердосплавного и алмазного инструмента в Киеве. И уже на следующий день после этой встречи Л. Ф. Верещагин был в Киеве, а вскоре туда на двух 5-тонных грузовиках были доставлены две установки для синтеза алмазов.

Прошло 11 месяцев, и вот в октябре 1961 г. на Киевском вокзале в Москве с поезда сошел пассажир с портфелем. Его сопровождали двое молодых людей. Пассажиром был В. Н. Бакуль, а сопровождающими – его научные сотрудники. В портфеле же находились синтетические алмазы – первый промышленный выпуск синтетических алмазов в СССР.

На XXII съезде КПСС президент Академии наук СССР академик М. В. Келдыш сообщил делегатам о том, что советские ученые разработали метод получения синтетических алмазов. На стол президиума съезда лег пакет с содержимым пакета В. Н. Бакуля.

Прошли годы. Сейчас налажено производство синтетических алмазов в Советском Союзе, США, ЮАР, Ирландии, Японии, Швеции и ряде других стран. Синтетические алмазы почти полностью заменили природные в такой области, как изготовление порошков, паст и абразивного инструмента, на что ранее расходовалось свыше 70 % природных технических алмазов. Появилась возможность более рационально подойти к использованию последних.

На сегодняшний день искусственный алмаз – это прежде всего алмаз технический, алмаз-труженик. Как заявил в начале 70-х годов президент «Дженерал электрик» Артур Бьюч, «бизнес фирмы основан на производстве алмазов весом в одну тысячную карата». В этой области алмаз искусственный и алмаз природный – друзья, помогающие и заменяющие друг друга. А могут ли они стать соперниками? Другими словами, можно ли получить искусственные алмазы, способные конкурировать с природными в качестве ювелирных?

В 1970 г. в США был выращен синтетический алмаз ювелирного качества величиной 6 мм. Синтез этого алмаза длился семь суток, а стоимость в 8 раз превысила стоимость аналогичного по качеству природного алмаза такого размера.

Итак, уже сейчас принципиально возможно выращивание крупных синтетических алмазов ювелирного качества, годных для огранки в бриллианты. Однако стоимость их намного превышает стоимость аналогичных природных камней. Поэтому пока искусственные ювелирные алмазы имеют лишь чисто научное значение.

Будет ли так всегда? Вся история развития науки и техники позволяет однозначно утверждать: конечно, нет. Безусловно, пройдет время и алмазы самого разнообразного размера и качества будут без особых затруднений и затрат «выпекаться» в заводских цехах.

Но это вовсе не означает, что искусственный алмаз победит природный. Например, сейчас мы уже умеем выращивать достаточно крупные кристаллы кварца, аметиста, циркона, рубина, сапфира, даже изумруда, но, как это ни парадоксально, цены на природные камни от этого не упали, а, наоборот, возросли, причем тенденция к такому росту представляется довольно устойчивой. Нет никаких оснований ожидать, что алмаз явится исключением. Производство ювелирных синтетических алмазов будет означать лишь, что в истории алмаза открывается новая, еще более интересная страница.

Будут ли нужны алмазы в XXI веке?

Из всего того, что вы прочитали в этой книге, следует совершенно очевидный ответ: конечно же, будут! Появятся новые искусственные камни, которые, вполне возможно, по каким-то отдельным свойствам и превзойдут алмазы, но по совокупности всех свойств алмаз есть и в обозримом будущем останется лучшим ювелирным сырьем, а бриллиант – незаменимым украшением.

Что же касается второй, трудовой, специальности алмаза, то и здесь, очевидно, безработица ему не угрожает. Скорее, наоборот. Ведь сейчас, несмотря на то, что алмаз и алмазный инструмент применяются в десятках различных отраслей промышленности, используются главным образом два его свойства – исключительные твердость и устойчивость к истиранию. А как же другие, не менее замечательные свойства? Частично их используют уже и в наши дни, а в будущем они найдут очень широкое применение. Кроме того, уже сейчас 90 % алмазных абразивов приготовляется из синтетических алмазов, а в перспективе в этой области синтетические камни вытеснят природные полностью. Природные же алмазы будут использоваться иначе.

Так, известно, что, попадая в кристалл природного алмаза, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т. е. ионизируют вещество. В кристалле алмаза под действием заряженных частиц происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения, в счетчиках быстрых частиц. Эти счетчики могут работать в сложных условиях агрессивных сред, значительного перепада температур, сильных магнитных и гравитационных полей, высоких механических нагрузок. Основанные на таких счетчиках приборы окажутся незаменимыми при космических исследованиях, а также при изучении глубинного строения нашей планеты. С другой стороны, химическая инертность, высокая чувствительность к быстрым частицам при комнатной температуре, близость по электронной плотности к тканям человеческого тела выдвигают алмаз в число наиболее ценных материалов для счетчиков, которые могут использоваться в медицине, в том числе для внутриполостных исследований. Надо отметить, что кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, исключительно редки и цена их значительно выше, чем равных по величине ювелирных камней.

Алмаз – прекрасный оптический материал для всевозможного рода кювет и окошек, способных выдерживать высокие давления и натиск веществ любой степени агрессивности, оставаясь в то же время прозрачным в очень широком диапазоне длин волн. Некоторыми фирмами налажен выпуск оптикой акустических приемников инфракрасного излучения с алмазными окошками. На американских космических зондах типа «Вояджер», предназначенных для исследования Венеры и Сатурна, имеются небольшие иллюминаторы, изготовленные из цельных алмазных пластинок. Сквозь них осуществляется фотографирование планет.

Благодаря своей высокой тепловой и химической стойкости алмаз не теряет прозрачности даже в атмосфере Венеры с ее 500-градусной (по Цельсию) жарой, огромным давлением и насыщенностью сернистыми газами.

Алмазная подложка полупроводниковых схем, обеспечивая их прекрасную изоляцию, отводит тепло в несколько раз быстрее, чем, например, медь, существенно повышая эффективность и надежность работы особо ответственных узлов электронных схем.

Кристалл алмаза может служить и оригинальным градусником. Для американских искусственных спутников Земли разработан специальный термометр, «ртутным» столбиком которого служит алмаз. Улавливая излучение далеких небесных светил, алмаз нагревается, при этом часть атомов углерода как бы вываливается из узлов кристаллической решетки. Число освободившихся атомов определенным способом связано с температурой нагрева. Результаты подсчетов фиксируются, переводятся в градусы и по радио передаются на Землю. Аналогичный алмазный градусник с успехом применяется и при измерении температур в камерах сгорания газовых турбин, в цилиндрах дизельных моторов, на магистральных газопроводах. Рабочий диапазон алмазного термометра весьма широк – от минус 200 до плюс 650 °C.

Подлинной революции можно ожидать в ближайшее время и в традиционной области изготовления алмазного инструмента. В конце 1981 г. ученые Института геологии Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР предложили новый метод получения алмазного инструмента сложной конфигурации. Изучая взаимодействие алмаза с железом, ученые помещали в термическую печь алмаз средних размеров таким образом, чтобы одна из его граней была горизонтальна. На эту грань клали железную пластинку, а затем в водородной среде доводили температуру до 1000 °C. Железная пластинка медленно и плавно погружалась в алмаз. Создавалось впечатление, что алмаз попросту таял.

Результаты необычного опыта были объяснены следующим образом. В тех местах, где алмаз соприкасался с железной пластинкой, при высокой температуре связи между атомами углерода рвались. Эти атомы, которые значительно меньше атомов железа, легко «просачивались» сквозь кристаллическую решетку последнего и выходили на поверхность пластинки. Здесь углерод вступил в реакцию с водородом, а получавшийся в результате реакции метан улетучивался.

Якутские ученые пошли в своих опытах дальше: они положили на грань алмаза железную пластинку, в середине которой было вырезано отверстие в форме небольшой шестерни. В печи с водородной средой поддерживалась температура 1200 °C. Через сутки пластинка погрузилась в алмаз на 1 мм, а из ее отверстия выступила отлично выполненная алмазная шестерня! Деталь такой формы из алмаза нельзя получить ни одним из известных ранее методов. А ведь на алмаз можно положить железную пластинку с отверстием в форме, скажем, микрофрезы для часовой или приборной промышленности или резца самой сложной конфигурации. Тем же путем без особых хлопот можно сделать в алмазной фильере не круглое, а квадратное или трехгранное отверстие.

Хочется закончить словами академика А. Е. Ферсмана, который еще в 1920 г. в работе «Самоцветы России» писал:

«Блестящее будущее рисуется нам для алмаза… В руках человека окажутся еще неизвестные орудия работы. Вся буровая техника, уничтожающая расстояния и проникающая сквозь хребты и слои земные, получит алмаз в новом, ныне недостижимом виде; вся техника резьбы, гравировки, обработка металла, камня и дерева перейдет на алмаз, и вместо стального резца будет алмазный.

Из больших кристаллов алмаза будут готовить тигли и чашки для плавления циркона и кварца…

Рисуется красивая картина будущего освещения городов, когда начнут светиться и фосфоресцировать в пустоте большие кристаллы алмаза, а микроскопическая техника и астрономия получит новый сказочный материал для своих оптических линз. Как не истираемый изолятор он найдет себе огромное применение в электротехнике, а его переходы в проводящий ток графит позволят достигнуть чудесных превращений» (10).