Як і де вирощують найбільші у світі алмази, SavePearlHarbor
Ще одна копія хабора
Головне меню
Навігація за записами
Як і де вирощують найбільші у світі алмази
Виробництво, на якому вдалося виростити рекордний кристал, зосереджено в невеликому цеху в одному з технопарків неподалік Сестрорецька. Потужності підприємства обмежені трьома з лишком десятками гідравлічних пресів, всередині яких, в умовах високих температур і тисків, мікрон за мікроном ростуть алмази найвищої якості. На пультах управління контролерів кожного преса відбиваються поточні параметри. «Загальні принципи синтезу алмазів добре відомі і використовуються в промисловості вже понад півстоліття. А ось деталі режимів синтезу – одне з ноу-хау нашої компанії», – поділився директор з виробництва Роман Колядін. "… Прецизійні кондиціонери підтримують мікроклімат у цеху з точністю до десятих часток градуса. При цьому навіть невеликий протяг може спричинити небажане відхилення в температурному режимі, що може суттєво погіршити якість алмазу» — додає фахівець.
Короткий екскурс в історію
Перші спроби синтезувати штучний алмаз робилися ще наприкінці XVIII століття, коли вчені дійшли остаточного висновку, що основою алмазу євуглець. З кінця XIX століття були спроби перетворити дешеві варіанти вуглецю (вугілля або графіт) на твердий і блискучий алмаз. Заяви про досягнутий успіх робили багато відомих вчених, серед яких французький хімік Анрі Муассан або британський фізик Вільям Крукс. Дещо пізніше було встановлено, що пред'явити реальні свідчення отриманого результату ніхто з них так і не зміг. Перший штучний алмаз було отримано 1954 року в лабораторії компанії General Electric.
Цікаво, що в процесі одержання синтетичного алмазу в GE керувалися "технологією", яку використовує сама природа. Як міркували фахівці, натуральні алмази утворюються при температурі близько 1300°З тиску близько 50 000 атм. у товщі мантії планети на глибині сотень кілометрів під поверхнею Землі. На поверхню кристали виносять лампроїти, кімберліти та інші магматичні породи. Для імітації описаних умов у лабораторних умовах фахівці GE використовували прес, що обтискає комірку, всередині якої був поміщений графіт та залізо-нікелево-кобальтовий розплав, що виступає в ролі каталізатора та розчинника.
Свою технологію фахівці GE назвали HPHT (High Pressure High Temperature – високий тиск, висока температура). Згодом саме її було взято за основу при отриманні недорогих технічних алмазів та алмазного порошку.
Як вирощують алмази сьогодні
Промислове виробництво синтетичних алмазів сьогодні ведеться переважно однією з двох технологій — це вищезгадана технологія HPHT і CVD. Менш уживані екзотичні методики, такі як синтез нанокристалів алмазу з графіту під час вибуху або експериментальний метод отримання мікронних алмазів із суспензії частинок графіту в органічних розчинниках.під впливом ультразвукової кавітації.
Технологія зводиться до процесу вирощування монокристалів алмазу при високій температурі (близько 1500 ° C, з потрібним градієнтом) та високому тиску (50-70 тис. атм.). Гідравлічний прес обтискає спеціальний контейнер, усередині якого знаходиться металевий розплав (залізо, нікель, кобальт та ін.) та графіт. На підкладці розміщується одна або кілька затравок - невеликих кристалів алмазу. Крізь камеру протікає електричний струм, що розігріває розплав до потрібної температури. У умовах метал служить розчинником і каталізатором процесу кристалізації вуглецю на затравці у вигляді алмазу. Процес вирощування одного великого або кількох дрібніших кристалів триває, в середньому, 12-13 діб.
Обсяги промислового виробництва штучних алмазів та алмазного пилу сьогодні сягають мільярдів карат на рік. У 1970-х, використовуючи технологію HPHT, навчилися виготовляти і ювелірні камені середньої якості вагою до 1 карата.
Починаючи з 1960-х років, провідні лабораторії світу вдосконалюють альтернативну менш витратну технологію синтезу алмазів — CVD (Chemical Vapor Deposition, осадження з газової фази). У процесі синтезу алмази осаджуються на підкладку, що підігрівається до 600-700°З вуглеводневого газу, який іонізується за допомогою НВЧ-випромінювання або розігрівається до високих температур. При осадженні на кремній або полікристалічний алмаз виходить полікристалічна пластина, що має обмежене застосування в електроніці та оптиці. Швидкість зростання – від 0,1 до 100 мкм/год. Товщина пластин зазвичай обмежена 2-3 мм, тому вирізані з неї алмази можна використовувати як ювелірні, але їх розмір, як правило, не перевищує 1 карата.
Можливості цього методу синтезу вНа початку 2000-х привернули велику увагу як невеликих стартапів, так і великих компаній, таких як Element Six, що входить до промислової групи De Beers.
Потенціал методу HPHT досі залишався сильно недооціненим. «Коли ми кілька років тому купували обладнання, нам усі в один голос говорили, що промислові преси придатні хіба що для синтезу алмазних порошків», — каже Микола Хіхінашвілі. Вся увага та ресурси були зосереджені головним чином на вдосконаленні методу CVD. У той же час технологія HPHT вважалася нішевою, оскільки переважна більшість фахівців просто не вірила, що з її допомогою можна вирощувати досить великі та якісні кристали. Проте, за словами Миколи, фахівцям компанії NDT вдалося запропонувати власну технологію синтезу, що дозволяє отримувати алмази такої якості та розмірів, які до цього моменту вдавалося досягти лише працюючи з натуральними кристалами. Що стосується технологій огранювання, то вирощені в лабораторії, і природні алмази обробляються однаково.
Кращі друзі дівчат
З початку 2000-х світовий алмазний монополіст, концерн De Beers, висловлював побоювання через перспективу виходу на ювелірний ринок синтетичних алмазів, які, на переконання керівництва, могли б підірвати його бізнес. Але, як показав час, синтетичні алмази не конкуренти натуральним каменям, оскільки займають порівняно мізерну частку ювелірного ринку. Крім того, за час удосконалення технологій їхнього виробництва були розроблені методи досліджень, що дозволяють досить впевнено та точно ідентифікувати синтетичні алмази. Серед характерних ознак синтезу слід назвати включення металу, а вкольорових алмазах - сектори росту, що легко визначаються. Крім того, штучне каміння, отримане за допомогою технологій HPHT, CVD у порівнянні з натуральними природними алмазами в УФ-променях мають різний характер люмінесценції.
«Як ставляться споживачі до вирощених діамантів? Цілком прихильно, — каже Микола, — особливо сучасна молодь, для якої виявляється важливо, що ці алмази безконфліктні та створені людьми за допомогою високих технологій без втручання у природу. Ну і, що важливо, вартість такого каміння приблизно вдвічі нижча. Зрозуміло, в сертифікаті має бути відображено, що каміння вирощене, але ясно, що володарці обручки з таким діамантом не потрібно носити з собою сертифікат! Водночас і за фізичними та хімічними властивостями алмази, вирощені в лабораторії NDT, ідентичні природним», — резюмував фахівець.
Що спільного між алмазом та азотом
Залежно від вмісту азоту алмази можуть бути віднесені до одного із двох основних типів. Алмази типу I включають до свого складу до 0,2% азоту, атоми якого розташовані у вузлах кристалічної решітки групами (Ia) або поодинці (Ib). Алмази саме цього переважають серед природних алмазів (98%). Найчастіше такі камені не бувають безбарвними. Алмази типу IIa практично не містять азоту (менше 0,001%). Такі кристали в царстві природних мінералів – рідкість, лише 1,8%. Практично не трапляються (у 0,2% випадків) безазотні алмази з домішкою бору (IIb). Атоми бору у вузлах кристалічної решітки зумовлюють їх електропровідність і надають алмазу блакитний відтінок.
Алмази у промисловому виробництві
Ювелірні алмази - дуже прибутковий бізнес для NDT і подібних компаній, але вже сьогодні чітко простежується інший,більш пріоритетний і, ймовірно, довгостроковий тренд. Технічний директор NDT Олександр Колядін любить повторювати: "Якщо з алмазу виготовити вже нічого більше не можна, зроби діамант". Насправді найперспективнішим напрямом ринку великих високоякісних синтетичних алмазів можна з упевненістю назвати промисловість. «Жоден природний алмаз не може бути використаний у спеціальній оптиці чи електроніці, — каже Олександр Колядін, — оскільки в них дуже багато дефектів. А ось пластини, вирізані з алмазів нашого виробництва, мають майже ідеальні кристалічні грати. Тому деякі дослідницькі організації, яким ми надаємо наші зразки для вивчення, важко вірять в отримані результати вимірювань — настільки близькі вони до ідеальних. При цьому вдається досягти ще одного суттєвого результату — забезпечити повторюваність характеристик, що для ряду промислових напрямків є принципово важливим. Алмази — це свого роду тепловідведення, вікна для спеціальної оптики та синхротронів, це силова мікроелектроніка, над створенням та вдосконаленням якої зараз працюють у всьому світі».
Левову частку доходної частини бюджету компанії поки що забезпечують ювелірні алмази. Разом з тим, тенденції, що складаються, дозволяють припустити, що вже в найближчі роки попит на синтетичні алмази і алмазні пластини для спеціальної оптики, мікроелектроніки та інших високотехнологічних промислових сфер зросте в прогресії.
«Промисловий напрямок поки що становить 20% нашого виробництва, але через три роки ми плануємо довести його до 50%, тим більше що попит швидко зростає. Зараз ми в основному робимо пластини 4х4 і 5х5 мм, вирізали на замовлення кілька 7х7 і 8х8 мм і навіть10 х 10 мм, але говорити про масове виробництво поки що передчасно. Наша чергова мета, – каже Микола Хіхінашвілі, – перехід до виготовлення дюймових алмазних пластин. Це той «золотий розмір» та необхідний мінімум, який дуже затребуваний у масовій електронній та оптичній промисловості. І для отримання таких пластин потрібно виростити кристал алмазу масою сто карат». Надати перші «прототипи» таких пластин у NDT планують уже до кінця поточного року.
На цьому все з вами був простий сервіс для вибору складної техніки Dronk.Ru. Не забувайте підписуватись на наш блог, буде ще багато цікавого.