Температура плавления бриллианта. Почему алмаз прочнее стали? Проблема искусственных алмазов

Технология производства синтетических алмазов

Развитие исследований по сочанию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений профессора Гарвардского университета П.У. Бриджмена. Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, но при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления превращения графита в алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до 1500 o С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл.

Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной "халфбелт". Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции "белт" .

16 декабря 1954 г. пришел первый успех. Холл позднее писал: "Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 o С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца.

Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз. Катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление достаточны.

Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался "белт" (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Полученные синтетические алмазы были техническими.

Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса.

Согласно патенту "Дженерал электрик", типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 o С под давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 o С за 8 мин. Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400 o С. Также доказано, что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой.

Аппарат высокого давления "белт" компания "Дженерал электрик" впоследствии заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в то же время. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации, требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку. Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.

Параллельно с работами "Дженерал электрик" исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам. В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм и температура до 2760 o С. Размеры алмазов, получаемых в обоими фирмами, были существенно меньше 1 мм. В опытах ASEA образовывалось 20-50 кристаллов размером 0,1-0,5 мм.

В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500 o С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8 мм.

Производство ювелирных синтетических алмазов

Приводим схему аппарата, применявшегося для выращивания крупных кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла.

Не следует думать, что производство синтетических технических алмазов в огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время.

Способы получения ювелирных алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф наконец добился успеха в выращивании алмаза на затравке. Затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания необходимых условий в области его стабильности.

В используемой Уэнторфом методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420 o С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 o С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60 000 атм. Лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.

В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит. Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм/час. Когда размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост может происходить со скоростью 0,04 мм/час и для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней.

Проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать синтетические алмазы большего размера. В настоящее время крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит 1 карат (0,2 г). Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы оказываются дороже или сопоставимы с ценой природных кристаллов аналогичных размеров. На фото вверху представлены синтетические алмазы массой 1 карат, выращенные Робертом Уэнторфом, и графит, использованный как исходное вещество.

Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности знаменитый алмаз "Хоуп", также обязаны своей окраской присутствию этого элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов полезно для понимания некоторых алмазов и способов образования их в природе.

Прямое превращение графита в алмаз

Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. Результаты первых эекспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из "Аллайд кемикл Корпорэйшн", были опубликованы в 1961 г.

Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200 o С и давление порядка 300 000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра). Они сопоставимы с так называемым "карбонадо", встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием высокой температуры, возникающей при прохождении метеорита через плотные слои атмосферы, и мощной ударной энергии, возникающей при ударе метеорита о земную поверхность.

В 1963 г. Фрэнсису Банди из "Дженерал электрик" удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке "белт" с большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000 o С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды), что существенно дольше, чем в экспериментах Де-Карли и Джеймисона. Размеры новообразованных частиц были в 2-5 раз больше по сравнению с получающимися при ударном сжатии.

В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200-102 МПа и температуры до 2000 o С и в графите образуются мелкие (до 10-30 мкм) синтетические алмазы.

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10-102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод независимо был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.

Внимание этих ученых привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре. Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.

Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600-1600 o С, общее давление газа - одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. Помимо алмаза в газовой фазе образовывались скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует дальнейшему осаждению алмаза. Для этого предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000 o С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста алмазов.

Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые для выращивания алмаза этим методом, характеризуются температурой 1020 o С и давлением метана 0,07 мм рт. ст.

Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.

Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в университете штата Огайо. Используемые ими условия роста: температура 1000 o С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. - близки к условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также характерны только для начальной стадии процесса.

Фирмой "Дженерал Электрик" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей.

Облагораживание алмазов облучением

Рассказ о синтетическом алмазе был бы неполным без информации об использовании ядерного облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной разновидности.

Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла альфа-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности альфа-частиц в твердое тело. Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до нового витка развития в конце 40-х годов XX века ядерной физики.

Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электронами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны, обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в инертном газе при 900 o С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных Штатах.

В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип кристаллов назван Iб, тогда как наиболее распространенные отнесены к типу Iа.

Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие азота. К нему относятся наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIа, а очень редкие содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип IIб. Среди алмазов типов I6 и II6 встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.

В таблице ниже приведены сведения о цвете поступающих в продажу облученных алмазов. Вообще имеет смысл облучать только крупные кристаллы, поскольку повышение цены мелких алмазов не оправдывает затрат на их обработку.

Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски распространена достаточно широко, возникла новая проблема. Некоторые даже подконтрольно облученные алмазы в течение длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием примесей долгоживущих радиоактивных изотопов. Насколько эта проблема серьезна - до конца не ясно. Но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует, он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную радиоактивность и об опасном методе облагораживания минерала. В любом случае бесконтрольное облагораживание камней в третьих странах делает эти камни опасными, так как неизвестно, чем именно камень облучали и каковы последствия этого облучения. Покупатель должен иметь выбор осознанно отказаться от потенциально опасной покупки.

Алмаз - драгоценный камень, но его свойства физики оценили по достоинству только в XVI веке. И это несмотря на то что камень был найден несколькими столетиями раньше. Конечно, чтоб оценить всю значимость минерала, потребовалось провести немало опытов. Они дали информацию о том, какая твердость у камня, температура плавления алмаза, а также другие физические характеристики. Но с тех пор камень используют не только в качестве красивого аксессуара, но еще и в промышленных целях.

Оценка проводилась в специальных лабораториях. И в результате был выяснен химический состав алмаза, строение его кристаллической решетки, а также открыто несколько феноменов.

Плавление алмаза

Опыты, связанные с температурой плавления

Как известно, кристаллическая решетка вещества имеет форму тетраэдра с ковалентными связями между атомами углерода. Возможно, что именно такая структура стала причиной нескольких открытий, связанных с плавлением алмаза.

Энциклопедии минералов дают показатели плавления алмазов 3700-4000 градусов по Цельсию. Но это не совсем точная информация, поскольку они не поддаются общепринятым закономерностям. В частности, во время плавления были обнаружены такие эффекты:

• Используя высокие температуры (2000 градусов Цельсия без доступа кислорода), алмаз можно превратить в графит. При этом дальнейшее поведение этого вещества с повышением температуры не поддается логическому объяснению. А вот процесс в обратную сторону произвести невозможно. В крайнем случае можно получить синтетический камень, кристаллическая решетка которого будет отличаться от природных алмазов.
• Если же нагревать камень до температуры 850-1000 градусов по Цельсию, он превращается в углекислый газ, то есть исчезает без следа. Такой опыт провели в 1694 году исследователи из Италии Тарджони и Аверани, пытаясь расплавить камни и соединить их в один алмаз.
• Исследования проводились и в 2010 году в Калифорнии, где группа физиков сделала вывод, что добиться плавления алмаза невозможно, если постепенно повышать температуру камня. Чтоб выяснить показатель плавления, необходимо, кроме температуры, воздействовать на алмаз давлением, а это затрудняет измерение. Чтоб действительно перевести алмаз в жидкое состояние, ученым потребовалось приложить немало усилий. Для этого они использовали импульсы лазера, которые действовали на камень несколько наносекунд. При этом камень в жидком виде был получен при давлении, в 40 миллионов раз превосходящем атмосферное на уровне моря. Кроме того, если давление понижалось до 11 миллионов атмосфер, а температура при этом на поверхности минерала была 50 тысяч Кельвинов, то на камне появлялись твердые кусочки. Они не тонули в остальной жидкости и внешне напоминали кусочки льда. При дальнейшем понижении показателя давления, кусочки скапливались, образовывая «айсберги» на плаву. Ученые сопоставили, что так ведет себя углерод в составе планет Нептуна и Урана, на поверхности этих небесных тел тоже существуют океаны с жидким алмазом. Но чтоб доказать это предположение, необходимо отправить спутники к планетам, что на сегодняшний момент невозможно быстро осуществить.
• Если действовать на камень короткими световыми импульсами в ультрафиолетовом диапазоне, то в минерале появятся небольшие углубления. Таким образом эксперимент подтверждает исчезновение камня под действием мощного ультрафиолета, то есть превращения алмаза в углекислый газ. Поэтому ультрафиолетовые лазеры на основе алмаза быстро ломаются и становятся непригодными к использованию. Но не следует переживать по поводу того, что бриллиант на украшении исчезнет со временем: чтоб удалить один микрограмм минерала, придется держать алмаз под ультрафиолетом около 10 миллиардов лет.

Итак, показатель плавления - интересная характеристика алмаза. Она все еще является предметом для изучения. С появлением технологий ученые находят новые способы проверки этой характеристики. На ее основе можно сделать выводы по поводу происхождения камня, открыть новые способы применения алмаза.

И алмаз, и графит – это разные формы одного и того же элемента – углерода. У мягкого, крошащегося графита и у самого твердого кристалла в мире одна и та же формула – С. Как такое возможно?

Свойства алмаза и графита

Алмазы встречаются в природе в хорошо выраженной кристаллической форме. Это прозрачный и чаще всего бесцветный кристалл, хотя бывают и алмазы, окрашенные в голубой, красный и даже черный цвета. Такое цветовое отступление от правила связано с особенностями природных условий формирования кристалла и наличия в нем примесей. Очищенный и отшлифованный алмаз приобретает особый блеск, который и оценили люди.

Алмазы хорошо отражают свет и, обладая сложной формой, хорошо его преломляют. Это дает знамений блеск и перелив очищенного кристалла. Он является проводником тепла, но по отношению к электричеству является изолятором.

Графит представляет собой антипод алмаза. Это не кристалл, а совокупность тонких пластинок. Он черный с серым отливом. По внешнему виду напоминает сталь с преобладанием чугуна.

Несмотря на стальной вид, на ощупь он жирный, а при использовании оказывается еще и мягким. При малейшем надавливании он крошится, что и привлекает человека, использующего графит в качестве средства запечатления информации на бумаге.

Графит, как и алмаз, является хорошим проводником тепла, но, в отличие от своего собрата по молекулярному строению, хорошо проводит и электричество.

Этих разных представителей полиморфности молекулярного углерода отличает друг от друга только одно – строение молекулярной решетки. Все остальное – лишь следствие главного.

В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу. Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости. Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый, и его слои плохо связаны друг с другом. Такое строение кристаллической решетки определяет его мягкость и разнообразную полезность, но сам графит при этом разрушается. Однако именно такое строение кристаллической решетки позволяет, используя особые условия и другие вещества, сделать из графита алмаз. Такие же процессы происходят с этим минералом в природе при аналогичных условиях.

Алмазная решетка построена по принципу объемных связей всех с каждым и всех со всеми. Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом тетраэдре окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что тетраэдров в каждом кусочке алмаза гораздо больше, чем молекул, образующих эти тетраэдры, поскольку каждый из тетраэдров является частью другого тетраэдра. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.

Судьба углерода в графите и алмазе

Углерод относится к самым массовым элементам биосферы и всей планеты Земля. Он в тех или иных состояниях присутствует в атмосфере (углекислый газ), в воде (растворенный углекислый газ и иные соединения) и в литосфере. Здесь, в тверди земной, он входит в состав больших залежей угля, нефти, природного газа, торфа и т.п. Но в чистом виде он представлен залежами алмаза и графита.

Больше всего углерода сконцентрировано в живых организмах. Любые организмы строят свое тело из углерода, концентрация которого в живых телах превышает содержание углерода в неживой материи. Мертвые организмы оседают на поверхности литосферы или океана. Там они разлагаются в разных условиях, образуя месторождения, богатые углеродом.

Происхождение чистых залежей алмазов и графита вызывает много споров. Есть мнение, что это бывшие организмы, попавшие в особые условия и минерализовавшиеся наподобие угля. Считается также, что алмазы имеют магматическое происхождение, а графит – метаморфическое. Это означает, что в концентрации алмазов на планете участвуют сложные процессы в недрах земли, где самопроизвольно в присутствии кислорода возникает взрыв и горение. В результате взаимодействия молекул метана и кислорода и возникают кристаллы алмаза. При этих же процессах, но в определенных условиях возможно появление и графита.

Как получить из графита алмаз

Получение при современном уровне развития химии давно не является проблемой. То, что природа делает за миллионы лет, человек может сделать за гораздо более короткий срок. Главное – воспроизвести условия, в которых в природе одна форма чистого углерода переходила в другую, то есть создать высокую температуру и очень высокое давление.

Впервые такие условия были созданы с помощью взрыва. Взрыв – это мгновенное горение под большим давлением. После того как собрали то, что удалось собрать, выяснилось, что в графите появились маленькие алмазы. Такое фрагментарное превращение произошло потому, что взрыв создает большое разнообразие давления и температуры. Там, где создались условия для перехода из графита в алмаз, это и произошло.

Эта неустойчивость процессов сделала взрывы неперспективными для производства алмазов из графита. Ученых это, однако, не остановило, и они с упорством продолжали подвергать графит всяким испытаниям в надежде заставить его стать алмазом. Стабильный результат дало нагревание графитового бруска импульсами до температуры в 2000°С, что дало возможность получить алмазы значимых размеров.

Опыты с высоким давлением дали неожиданные результаты – графит превращался в алмаз, но при уменьшении давления переходил в свое исходное состояние. Стабильно уменьшить расстояние между атомами углерода только с помощью одного давления не удавалось. Тогда стали сочетать давление и высокую температуру. Наконец, удалось выяснить диапазон сочетаний температуры и давления, при котором можно получить кристаллы алмаза. Правда, при этом получался только технический алмаз, использование которого в ювелирном деле было затруднено.

Кроме больших затрат на энергетическое обеспечение процесса перевода графита в алмаз существовала еще одна проблема – при увеличении длительности воздействия высокой температурой начинается графитизация алмаза. Все эти тонкости усложняют промышленное производство алмазов. По этой причине в природе, крайне разрушительная для нее, остается актуальной и прибыльной.

Чтобы получить алмаз, предназначенный для ювелирных целей, стали выращивать кристаллы, используя затравку. Готовый кристалл алмаза подвергался воздействию температуры в 1500°, что стимулировало рост сначала быстрый, а потом медленный. Чем больше кристалл, тем медленнее он рос. Этот эффект сделал интересный опыт лишь опытом, поскольку его производство в промышленных масштабах стало нерентабельным. Не улучшило ситуацию и применение метана в качестве «подкормки» растущего алмаза. При высоких давлении и температуре метан разрушается до углерода и водорода. Этот углерод и является “кормом” для алмаза.

Применение алмаза и графита

Оба минерала широко используются в промышленности.

Алмазы применяют:

• в электротехнике;
• приборостроении;
• радиоэлектронике;
• на буровых установках
• в ювелирном деле.

Графит используется при:

• производстве тиглей и иного огнеупорного оборудования;
• изготовлении смазочных материалов;
• изготовлении карандашей;
• производстве оборудования для электроугольной промышленности.

Несмотря на разнообразие применения как графита, так и алмаза в различных отраслях промышленности, можно смело говорить о большей пользе графита. Алмаз по причине идеальности своей кристаллической решетки инертен. Его можно использовать только как алмаз. Большая часть добываемых в природе алмазов уходит на нужды ювелирной промышленности, поскольку минерал является одним из самых дорогих драгоценных камней, становясь бриллиантом, он стимулирует оборот денег, и это его основное свойство в экономике.

Графит, изъятый из природы, становится не самодостаточной ценностью, а великим тружеником производства. Благодаря своим свойствам он используется и в своем истинном, природном виде, то есть как графит, и в качестве средства, на основе которого могут быть получены новые вещества, например, тот же алмаз.

Доброго времени суток, дорогие друзья. Алмаз невероятно стоек к разного рода воздействиям со стороны окружающего мира. Но даже при этом все равно существует температура плавления алмаза, которой можно добиться только при условии соблюдения определенных факторов.

На самом деле измерить температуру плавления алмазов не так-то просто. Все дело в том, что при этом оказывает воздействие и высокое давление. Иначе есть риск превращения камня обратно в графит.

Эксперименты с температурой плавления алмазов

В этой истории отличилась национальная Ливерморская лаборатория им. Лоуренса. Ведь ученые калифорнийского университета провели необычный эксперимент, в результате которого выяснилось, что алмаз плавится при температуре 3700—4000 градусов по Цельсию и при давлении в 11 Гпа. Опыт был проведен еще в 2010 году.

В отличие от многих обычных твердых веществ, алмаз невозможно превратить в жидкость путем обычного повышения температуры окружающего воздуха.

Такими наблюдениями в ходе эксперимента поделился Эггарт Джон, один из руководителей процесса. Также он рассказал, что для такого состояния алмаз необходимо дополнительно держать под очень большим давлением. Как вы догадываетесь, измерить температуру алмаза при этом очень нелегко.

А без давления не обойтись: на воздухе горение алмаза осуществляется при температуре, близкой к 1000 градусов по Цельсию, а в вакууме при 2000 градусов он превращается в графит (при этом в обратную сторону процесс повернуть невозможно, в лучшем случае получится синтетический алмаз, уступающий своим собратьям). Промежуточного состояния в обоих случаях нет.

Причем опыт по исследованию минерала провели еще в конце 17 века итальянские ученые, которые решили во что бы то ни стало сплавить несколько экземпляров в единое целое. В результате удалось выяснить только температуру плавления камня.

Также в свое время удалось выяснить, что ультрафиолетовыми лучами плавления также не добиться. Ведь при этом минерал попросту начинает превращаться в углекислый газ. По этой причине не получилось создать ультрафиолетовые лазеры с использованием камня – они попросту приходят в негодность. Но для обычных алмазов все не так страшно. Ведь для полного исчезновения одного микрограмма минерала потребуются долгих 10 миллиардов лет.

Ход главного эксперимента

А вот и ход самого эксперимента, проведенного в 2010:

1. Ученые взяли алмаз совсем небольшого размера (1/10 карата).
2. При помощи наносекундных импульсов лазера были образованы ударные волны, создающее огромное давление.
3. При достижении давления, в 40 раз превосходящего атмосферного на уровне моря, алмаз достиг жидкого состояния.

Но на этом все не кончилось. Ученые начали уменьшать давление и понижать температуру. В результате выяснилось, что алмаз начинает возвращаться в твердую форму (правда кусочками) при давлении в 11 миллионов атмосфер и 50000 Кельвинов. При этом эти кусочки плавали в оставшемся «бульоне» подобно льдинам в море. Ученые решили и дальше понижать давление, но при этом не менять температуру. И алмаз начал вести себя как обычная вода – в нем стало появляться еще больше «айсбергов», сами образования стали больше.

Необычные гипотезы

На основании подобных опытов были сделаны выводы о возможности существования подобных условий на Уране и Нептуне. Все дело в том, что обе этих планеты состоят из углерода на значительные 10%.

Есть версия, что океаны расплавленного алмаза могли бы быть основой для необычного магнитного поля для Нептуна и Урана, ведь их полюса разнесены (!). То есть полюс магнитный не совпадает с полюсом географическим.

Но пока гипотезы остаются всего лишь гипотезами. Ведь отсылать спутники к обеим планетам или пытаться моделировать их атмосферы на Земле – занятия трудные и дорогостоящие. Но однажды мы доподлинно узнаем, что же на самом деле происходит там.

Кстати, если вас заинтересовала тема космоса и этих необычных планет, то мы предлагаем вам посмотреть обучающий ролик о них.

Тайны вселенной драгоценных камней раскрыты еще не полностью. Заходите почаще и узнаете немало нового об этих удивительных минералах. До скорого!

Команда ЛюбиКамни

Температура плавления алмаза - это одна из характеристик драгоценности, которая до сих пор не изучена в полном объеме. Камень имеет уникальные свойства, которые ценятся не только в ювелирном деле, но и в промышленности. И температура плавления не стала исключением из правил.

Некоторые минералоги и исследователи объясняют такие странные характеристики алмаза его космическим происхождением. То есть, предполагают, что материал попал на планету после падения большого количества метеоритов и остался в недрах земли.

Базовые характеристики алмаза

В качестве примера можно привести то, что алмаз обладает наивысшей твердостью по шкале Мооса, при этом камень хрупкий. Вещество является диэлектриком и изолятором. Алмаз обладает самой прочной упаковкой, то есть кристаллической решеткой. Структура состоит из одного атома углерода, который в природе является горючим и имеет аллотропные модификации. Самой известной формой элемента, помимо алмаза, является графит.

Ученые неоднократно проводили опыты, а также эксперименты, которые были связаны с модификациями углерода. В частности, во время плавления хотели добиться и посмотреть, не будет ли перехода алмаза в графит и наоборот. Одними из последних исследователей, которые занимались вопросом плавления, была группа физиков из университета в Калифорнии. Опыт проводился в 2010 году, и целью ученых был перевод алмаза в жидкое состояние.

Температура плавления алмаза

Сложность заключалась в том, что с повышением температуры вещество превращается в графит. Поэтому, вместе с температурой, приходилось повышать и давление. Интересно, что в обратную сторону процесс провести нельзя: графит не превращается в алмаз без затравки даже под действием высоких температур.

Показатель плавления вещества

Если верить уже проведенным исследованиям, то показатели плавления алмаза находятся на таком уровне:

С доступом кислорода вещество сгорает при температуре 850-1000 градусов Цельсия. Алмаз горит синим пламенем, после чего исчезает бесследно, превратившись в углекислый газ. В этом убедились ученые из Италии Тарджони и Аверани на собственном опыте. Еще в 1694 году они решили провести эксперимент и соединить два мелких бриллианта в один крупный. Несколько попыток закончилось сгоранием драгоценностей.

• Плавного расплавления добиться очень сложно. Для этого необходимо проводить эксперименты без доступа кислорода и в устройствах с переменой давления.
• Без доступа кислорода горение алмаза происходит при повышении показателей температуры до 1800-2000 градусов Цельсия, и вещество превращается в графит.
• Плавление происходит на уровне 3700-4000 градусов Цельсия, но достичь таких температур в лабораториях получается с большим трудом.

Кривую плавления алмаза построить тяжело, она получается аномальной, учитывается и наличие кислорода в процессе. Сходства и стандартов, как у других веществ, нет. Поэтому показатель неточный и может измениться после очередных экспериментов.

Ученые взяли алмаз небольшого веса, и плавление происходило под действием ударной волны. Волну создавали наносекундные лазерные импульсы. Жидкий алмаз, то есть расплавленный материал, действительно был получен в ходе эксперимента при давлении в 40 миллионов атмосфер.

Но при постепенном повышении давления и температуры до 50 000 по Кельвину на жидкой поверхности алмаза стали появляться твердые частицы. При этом неожиданным открытием стало то, что частицы не тонут в жидкости, а плавают, как кубики льда, напоминая айсберги. Жидкость не меняется и не кипит в процессе дальнейшего нагревания. При понижении давления и сохранении температуры на том же уровне частицы становились больше и склеивались в одно целое. В дальнейшем алмаз постепенно переходил в твердое состояние. Несколько «айсбергов» склеиваются между собой, жидкость не испаряется в процессе.

В обычных условиях на земле такого состояния углерода добиться нельзя. Но исследователи думают, что в недрах таких планет, как Нептун и Уран, углерод содержится именно в таком кипящем состоянии. Там есть целые океаны кипящих алмазов.

Подтверждения или материалов на эту тему нет, но большинство ученых согласно с гипотезой. А также это предположение объясняет странное действие магнитных полей планет. Эти небесные тела являются единственными в Солнечной системе, у кого нет четких географических полюсов, они все время перемещаются. Тщательнее исследовать планеты не получается, поскольку моделирование ситуации на земле или отправление экспедиций к этим планетам - дорогостоящий и трудоемкий процесс.

А вот еще один эксперимент был посвящен превращению алмаза в углекислый газ. Для этого ученые воздействовали на алмаз мощными ультрафиолетовыми лучами, после чего в камне образовывались углубления в месте воздействия. Камень выгорает и переходит в газообразное агрегатное состояние.

Производство лазеров на основе алмазов - изобретение, не имеющее смысла. Такие приборы ломаются и становятся непригодными к использованию. Но, конечно, не стоит переживать о том, можно ли носить камень летом под действием солнца - обычный ультрафиолет не повредит алмазу. Чтоб удалить один микрограмм минерала, нужно выдерживать камень под ультрафиолетом почти 10 миллиардов лет.

Интересен и тот феномен, что во время пайки изделий с бриллиантами в ювелирных магазинах, камень поддается нагреванию и обработке. Часто ювелиры паяют изделия с бриллиантами. Но такие действия могут закончиться помутнением камня, и владельцу придется отдавать его на переогранку. Опасно находиться над горелкой бриллиантам с микротрещинами или другими повреждениями - хрупкий камень рассыплется на части.

Каждый эксперимент внес свой вклад в исследование вещества под названием алмаз. К сожалению, до конца феномен плавления алмаза объяснить не удается. Зато новым ученым есть к чему стремиться, поле для исследований готово и человечество ждет открытий. Характеристика алмаза пригодится в производстве и в искусственном выращивании вещества. А также она поможет в исследовании космоса.