Са­мые кру­п­ные и ка­че­ствен­ные ис­кус­ствен­ные ал­ма­зы вы­ра­щи­ва­ют се­го­д­ня в окре­ст­но­стях Се­ст­ро­ре­ц­ка, по со­сед­ству с Санкт-Пе­тер­бур­гом. О рос­сий­ской ко­м­па­нии NDT и о том, как ро­ж­да­ют­ся на свет луч­шие дру­зья де­ву­шек мы рас­ска­жем в на­шей се­го­д­ня­ш­ней пуб­ли­ка­ции. Сер­ти­фи­кат на ре­кор­д­ный по раз­ме­ру син­те­ти­че­ский бри­л­ли­ант мас­сой в 10.02 ка­ра­та, цве­та Е и чи­сто­ты VS1 был вы­дан Ме­ж­ду­на­род­ным ге­м­мо­ло­ги­че­ским ин­сти­ту­том Гон­кон­га (IGI) рос­сий­ской ко­м­па­нии New Diamond Technology (NDT). Дра­го­цен­ные ка­м­ни с та­ки­ми ха­ра­к­те­ри­сти­ка­ми для юве­ли­р­но­го ми­ра — яв­ле­ние до­ста­точ­но три­ви­аль­ное, а вот ис­кус­ствен­ный ка­мень, огра­нен­ный из 32-ка­рат­но­го син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за — это для ры­н­ка син­те­ти­че­ских ал­ма­зов со­бы­тие, и со­бы­тие уни­каль­ное. Про­из­вод­ство, на ко­то­ром уда­лось вы­рас­тить ре­кор­д­ный кри­сталл со­сре­до­то­че­но в не­боль­шом це­ху в од­ном из тех­но­пар­ков не­по­да­ле­ку от Се­ст­ро­ре­ц­ка.

Мо­щ­но­сти пред­при­я­тия огра­ни­че­ны тре­мя с ли­ш­ним де­сят­ка­ми гид­рав­ли­че­ских прес­сов, внут­ри ко­то­рых, в усло­ви­ях вы­со­ких те­м­пе­ра­тур и дав­ле­ний, ми­к­рон за ми­к­ро­ном рас­тут ал­ма­зы вы­со­чай­ше­го ка­че­ства. На пуль­тах управ­ле­ния кон­трол­ле­ров у ка­ж­до­го прес­са от­ра­жа­ют­ся те­ку­щие па­ра­мет­ры. «Об­щие при­н­ци­пы син­те­за ал­ма­зов хо­ро­шо из­ве­ст­ны и ис­поль­зу­ют­ся в про­мы­ш­лен­но­сти уже бо­лее по­лу­ве­ка. А вот де­та­ли ре­жи­мов син­те­за — од­но из ноу-­хау на­шей ко­м­па­нии» — по­де­ли­л­ся ди­рек­тор по про­из­вод­ству Ро­ман Ко­ля­дин. “… Пре­ци­зи­он­ные кон­ди­ци­о­не­ры под­дер­жи­ва­ют ми­к­ро­к­ли­мат в це­ху с точ­но­стью до де­ся­тых до­лей гра­ду­са. При этом да­же не­боль­шой сквоз­няк мо­жет по­влечь за со­бой не­же­ла­тель­ное от­к­ло­не­ние в те­м­пе­ра­тур­ном ре­жи­ме, что мо­жет су­ще­ствен­но ухуд­шить ка­че­ство ал­ма­за» — до­бав­ля­ет спе­ци­а­ли­ст.

Крат­кий экс­курс в ис­то­ри­ю

Пер­вые по­пы­т­ки син­те­зи­ро­вать ис­кус­ствен­ный ал­маз пред­при­ни­ма­лись еще в кон­це XVIII ве­ка, ко­г­да уче­ные при­шли к окон­ча­тель­но­му вы­во­ду, что ос­но­вой ал­ма­за яв­ля­ет­ся уг­ле­род. С кон­ца XIX ве­ка уче­ные по­пы­та­лись пре­вра­тить де­ше­вые и до­сту­п­ные фор­мы уг­ле­ро­да (у­голь или гра­фит) в твер­дый и бле­стя­щий ал­маз. За­яв­ле­ния о до­сти­г­ну­том успе­хе де­ла­ли мно­гие, вклю­чая из­ве­ст­ных уче­ных, в чис­ле ко­то­рых фран­цуз­ский хи­мик Ан­ри Муас­сан и бри­тан­ский фи­зик Уи­льям Крукс. Не­сколь­ко позд­нее бы­ло уста­но­в­ле­но, что предъ­явить ре­аль­ные сви­де­тель­ства по­лу­чен­но­го ре­зуль­та­та ни­кто из них так и не смог. Пер­вый ис­кус­ствен­ный ал­маз, предъ­яв­лен­ный ми­ру, был по­лу­чен в 1954 го­ду в ла­бо­ра­то­рии ко­м­па­нии General Electric.

Ин­те­рес­но, что в про­цес­се по­лу­че­ния син­те­ти­че­ско­го ал­ма­за в GE ру­ко­вод­ство­ва­лись «тех­но­ло­ги­ей», ко­то­рую ис­поль­зу­ет са­ма при­ро­да. Как рас­су­ж­да­ли спе­ци­а­ли­сты, на­ту­раль­ные ал­ма­зы об­ра­зу­ют­ся при те­м­пе­ра­ту­ре по­ряд­ка 1300°С и дав­ле­нии по­ряд­ка 50 000 атм. в тол­ще ман­тии пла­не­ты на глу­би­не со­тен ки­ло­мет­ров под по­верх­но­стью Зе­м­ли. На по­верх­ность кри­стал­лы вы­но­сят ла­м­про­и­ты, ки­м­бер­ли­ты и про­чие ма­г­ма­ти­че­ские по­ро­ды. Для ими­та­ции опи­сан­ных усло­вий в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях спе­ци­а­ли­сты GE ис­поль­зо­ва­ли пресс, об­жи­ма­ю­щий ячей­ку, внут­ри ко­то­рой был по­ме­щен гра­фит и же­ле­зо-­ни­ке­ле­во-ко­баль­то­вый рас­плав, вы­сту­па­ю­щий в ро­ли ка­та­ли­за­то­ра и рас­тво­ри­те­ля.

Свою тех­но­ло­гию спе­ци­а­ли­сты GE на­з­ва­ли HPHT (High Pressure High Temperature — вы­со­кое дав­ле­ние, вы­со­кая те­м­пе­ра­ту­ра). Со вре­ме­нем имен­но она бы­ла взя­та за ос­но­ву при по­лу­че­нии не­до­ро­гих тех­ни­че­ских ал­ма­зов и ал­маз­но­го по­ро­ш­ка.

Как вы­ра­щи­ва­ют ал­ма­зы се­год­ня

Про­мы­ш­лен­ное про­из­вод­ство син­те­ти­че­ских ал­ма­зов се­го­д­ня ве­дет­ся преимуществен­но по од­ной из двух тех­но­ло­гий — это вы­ше­у­по­мя­ну­тая тех­но­ло­гия HPHT и тех­но­ло­гия CVD. Ме­нее упо­тре­би­мы эк­зо­ти­че­ские ме­то­ди­ки, та­кие как син­тез на­но­кри­стал­лов ал­ма­за из гра­фи­та при взры­ве или экс­пе­ри­мен­таль­ный ме­тод по­лу­че­ния ми­к­рон­ных ал­ма­зов из сус­пе­н­зии ча­стиц гра­фи­та в ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лях под воз­дей­стви­ем уль­тра­зву­ко­вой ка­ви­та­ции.

В последние годы производство синтетических алмазов ювелирного качества в России и за рубежом развивается стремительными темпами. По данным аналитиков, объем производства синтетических алмазов ювелирного качества к 2035 году будет сопоставим с объемами добываемых природных алмазов. Уже в настоящее время возникла необходимость в специальных приборах для выявления искусственных камней из-за их смешивания с природными бриллиантами. Компаниями De Beers и АК «АЛРОСА» разработаны методы определения и созданы приборы для выявления синтетических алмазов и бриллиантов.

В России центрами изготовления синтетических алмазов являются Троицк, Сестрорецк и Новосибирск. В Троицке ФГУ «Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ТИСНУМ) разработал и внедрил метод температурного градиента (HPHT).

Рис. 1. Принципиальная схема производства синтетических алмазов методом HPHT

В настоящее время ФГУ ТИСНУМ производит синтетические алмазы, крупностью до 8 мм, которые используются в основном в нанотехнологиях.

В Сестрорецке компанией New Diamond Technology (NDT), кроме технологии HPHT, применяется также метод синтеза алмазов осаждением из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD). В мире разработка этого метода синтеза алмазов началась еще в 60-х годах прошлого столетия, однако серьезные результаты получены в начале третьего тысячелетия. В этой технологии алмазы осаждаются на подогреваемую подложку из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высокой температуры. Именно на этот метод синтеза в начале 2000-х стали возлагать большие надежды и небольшие стартапы, и крупные компании типа Element Six, входящей в группу De Beers.

Рис. 2. Принципиальная схема производства синтетических алмазов методом CVD.

Промышленное направление пока составляет 20% производства NDT, а остальное – ювелирное. В 2015 году Международный геммологический институт (IGI) в Гонконге выдал сертификат на бриллиант массой 10,02 карата, который был огранен из 32-каратного кристалла синтетического алмаза, выращенного этой компанией по технологии CVD. Ювелирные алмазы – это прибыльная часть бизнеса NDT, но наиболее перспективный рынок для крупных высококачественных синтетических алмазов – это промышленность, поскольку ни один природный алмаз не годится для использования в специальной оптике или электронике.

В Новосибирске производство синтетических алмазов осуществляется по старой советской технологии на прессах типа БАРС (беспрессовая аппаратура высокого давления «Разрезная сфера»), которая позволяет получать только мелкие синтетические алмазы.

За рубежом в США синтетические алмазы в основном производят две компании – Gemesis во Флориде, созданная в 1996 году и работающая по методу HPHT, и Apollo Diamond в Бостоне, получившая патент на метод CVD. В 2003 году на рынок попала первая волна искусственных алмазов ювелирного качества.

Синтетические алмазы в значительных объемах (до 3 млн каратов) производят сегодня в Китае (Henan Huanghe Whirlwind International Co Ltd) и Индии (IIa Technologies Pte Ltd, зарегистрированная в Сингапуре). Но если индийцы в основном нацелены на применение полученных алмазов для ювелирных целей, то в Китае ускоренными темпами ведутся исследования с использованием синтетических алмазов в современных передовых технологиях.

В Японии группа Diamond Wafer Team производит тонкие, но довольно широкие алмазные пластины, выращенные методом CVD, которые, по мнению ученых из санкт-петербургского Института передовых производственных технологий (Institute of Advanced Manufacturing Technologies), способны стать основой электроники будущего.

Наконец, в компании De Beers создано подразделение Element Six Technologies Ltd, которое в настоящее время занимается производством синтетических алмазов ювелирного качества. Вероятно, ведущая мировая алмазная компания изучает с их помощью возможность отличать искусственные алмазы от природных, для создания приборов с целью выявления синтетических бриллиантов, выдаваемых за настоящие, а также изучает перспективные направления их использования в современных технологиях.

В компании АЛРОСА также ставится вопрос об организации производства синтетических алмазов для изучения физических характеристик и более эффективного выявления синтетических алмазов.

HPHT – процесс выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза. Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится 12−13 суток.

Вместе с тем, на наш взгляд, синтетические алмазы могут найти более широкое применение не как ювелирные изделия, а в других высокотехнологичных отраслях: микроэлектронике, лазерной технике, полупроводниковых материалов и космической технике. Синтетические алмазы в настоящее время применяются для шлифовки современных сверхпрочных материалов, в радиооптике и электронике. Из них изготавливают алмазные наковальни, позволяющие вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 млн атмосфер, оптические окна для мощных лазеров, высокочувствительные датчики температуры, ультрафиолетового, рентгеновского и радиационного излучений, малоинерционные нагревательные элементы, иглы для сканирующих зондовых микроскопов. Сейчас синтетические алмазы используются практически во всех областях высоких технологий, и, по всем прогнозам, их роль будет только возрастать.

Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что в настоящее время производить из синтетических алмазов бриллианты, это банально превращать их в дорогие безделушки. Необходимо более глубокое изучение физико-химических свойств синтетических алмазов для применения их в новых областях техники и технологий. Производство компанией АЛРОСА синтетических алмазов позволило бы параллельно решать ряд производственных задач, используя синтетику, например, в исследованиях по сохранности и извлечению алмазов на действующих обогатительных фабриках вместо природных камней, а также для тестирования приборов при выявлении синтетических алмазов широкого спектра.

Возможно также создание новой технологии производства синтетических алмазов, что обеспечит экономическую безопасность АЛРОСА и Якутии, если синтетические алмазы в обозримом будущем вытеснят природные и исчезнет необходимость их добычи. Широкое применение синтетических алмазов в современной технике также позволит продлить сроки добычи природных алмазов из разрабатываемых месторождений, которые пока еще не исчерпаны.