Почему алмаз останется самым дорогим камнем

Мел­кие тех­ни­че­ские ал­ма­зы син­те­зи­ру­ют в ла­бо­ра­то­ри­ях с се­ре­ди­ны 1950-х. Мо­ж­но по­лу­чить и кри­стал­лы юве­ли­р­но­го ка­че­ства, хо­тя это очень за­трат­но. В по­след­ние де­ся­ти­ле­тия уче­ные мно­гое узна­ли об ал­ма­зах и их про­ис­хо­ж­де­нии, усо­вер­шен­ство­ва­ли экс­пе­ри­мен­таль­ное обо­ру­до­ва­ние, но со­вре­мен­ные тех­но­ло­гии ста­вят пе­ред на­у­кой но­вые за­да­чи. Сей­час ис­сле­до­ва­те­ли всту­пи­ли в кон­ку­рен­цию с при­ро­дой и на­у­чи­лись вы­ра­щи­вать кри­стал­лы с очень не­о­бы­ч­ны­ми свой­ства­ми.

Уче­ные сжи­га­ют ал­маз

Исто­рия ис­кус­ствен­ных ал­ма­зов пол­на дра­ма­тиз­ма и по сей день та­ит в се­бе не­ма­ло за­га­док. Не­дав­няя ста­тья ака­де­ми­ка Сер­гея Сти­шо­ва в жур­на­ле "Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук" про­ли­ва­ет свет на не­ко­то­рые из них. Но изу­че­ние ал­ма­зов да­ле­ко до за­вер­ше­ния. Фран­цуз­ский есте­ство­ис­пы­та­тель XVIII ве­ка Ла­ву­а­зье ост­ро­у­м­но по­ка­зал, из че­го сде­лан ал­маз. Он сфо­ку­си­ро­вал сол­неч­ный луч на кри­сталл в за­па­ян­ной кол­бе, и ко­г­да тот сго­рел, в ем­ко­сти остал­ся толь­ко уг­ле­кис­лый газ. По­лу­ча­ет­ся, что ал­маз — из уг­ле­ро­да. Ка­за­лось, все про­сто: на­до при­ду­мать, как са­жу, ко­то­рой бы­ло мно­го в те вре­ме­на, или гра­фит, пре­вра­тить в кри­сталл. Но не тут-то бы­ло. Ал­маз — са­мый твер­дый ми­не­рал в при­ро­де, а гра­фит — са­мый мя­г­кий. Оба из уг­ле­ро­да. Как гра­фит пре­вра­тить в ал­маз? Фи­зи­ки из­ме­ри­ли те­п­ло­е­м­кость обо­их ми­не­ра­лов, про­ве­ли тер­мо­ди­на­ми­че­ские рас­че­ты и по­лу­чи­ли урав­не­ние кри­вой пе­ре­хо­да. К 1930-м ста­ло яс­но, что для син­те­за ал­ма­за ну­ж­ны очень вы­со­кие дав­ле­ния и те­м­пе­ра­ту­ры, не­до­сти­жи­мые на том уро­в­не тех­ни­ки.

Ре­аль­ный про­рыв слу­чи­л­ся в по­сле­во­ен­ные го­ды. За­да­чу ре­ша­ли в трех тех­ни­че­ски раз­ви­тых стра­нах, не имев­ших еще в те го­ды соб­ствен­ных ме­сто­ро­ж­де­ний ал­ма­зов: Шве­ция, США и СССР. Их при­хо­ди­лось за­ку­пать за ру­бе­жом. За­да­чу син­те­за ал­ма­за со­вет­ское го­су­дар­ство по­ста­ви­ло в 1947-м. Но де­ло дви­га­лось со скри­пом, по­ка в 1955-м в Nature не по­яви­лась ста­тья "Ру­ко­твор­ный ал­маз". Ав­то­ры — уче­ные из General Electric, в том чис­ле Трей­си Холл. Ко­м­па­ния про­из­во­ди­ла ла­м­пы на­ка­ли­ва­ния, и для вы­тя­ги­ва­ния воль­фра­мо­вых ни­тей ис­поль­зо­ва­ли ал­маз­ные фи­лье­ры. По­с­ле этой пуб­ли­ка­ции швед­ская ко­м­па­ния ASEA за­яви­ла, что син­те­зи­ро­ва­ла ал­маз еще в 1953-м. В Со­вет­ском Со­ю­зе этой про­б­ле­мой за­ни­ма­лись Ин­сти­тут кри­стал­ло­гра­фии под ру­ко­вод­ством Алек­сея Шуб­ни­ко­ва и ла­бо­ра­то­рия вы­со­ких дав­ле­ний, ко­то­рую воз­глав­лял Лео­нид Ве­ре­ща­гин. Ме­ж­ду эти­ми ор­га­ни­за­ци­я­ми раз­вер­ну­лась же­ст­кая кон­ку­рен­ция. По­бе­дил Ве­ре­ща­гин. Как пи­шет ака­де­мик Сти­шов, Ве­ре­ща­гин ор­га­ни­зо­вал не­сколь­ко групп, ко­то­рые ра­бо­та­ли изо­ли­ро­ван­но, а пол­ной кар­ти­ной вла­дел толь­ко он. Не по­след­нюю роль, ви­ди­мо, в этой ис­то­рии сыг­ра­ло то, что аме­ри­кан­цы по­не­м­но­ж­ку об­на­ро­до­ва­ли де­та­ли уста­но­вок и про­цес­са син­те­за. Как бы то ни бы­ло, ис­кус­ствен­ный ал­маз в ла­бо­ра­то­рии, ко­то­рая к то­му вре­ме­ни ста­ла Ин­сти­ту­том фи­зи­ки вы­со­ких дав­ле­ний, по­лу­чи­ли в 1960 го­ду. Ка­кой из групп при­на­д­ле­жит паль­ма пе­р­вен­ства, не­яс­но. За это вы­да­ю­ще­е­ся до­сти­же­ние Лео­нид Ве­ре­ща­гин с кол­ле­га­ми по­лу­чи­ли зва­ния и на­гра­ды, в то вре­мя как Трей­си Холл ушел из GE, оби­жен­ный на кри­ти­ку. Кста­ти, в 1990-е вы­яс­ни­лось, что один из кри­стал­лов, пред­став­лен­ный в ста­тье Хол­ла и со­ав­то­ров, был не син­те­ти­че­ским, а при­род­ным — его ис­поль­зо­ва­ли как за­трав­ку для ро­ста.

© Ил­лю­стра­ция РИА Но­во­сти

Фа­зо­вая ди­а­гра­м­ма по­ка­зы­ва­ет, при ка­ких усло­ви­ях гра­фит пре­вра­ща­ет­ся в ал­маз. Это экс­тре­маль­ные для зе­м­ных недр зна­че­ния: дав­ле­ния 50-60 ты­сяч ат­мо­сфер, те­м­пе­ра­ту­ра бо­лее 1000 гра­ду­со­в

Си­би­р­ский БАРС

По­с­ле то­го как в ми­ре на­у­чи­лись син­те­зи­ро­вать мел­кие тех­ни­че­ские ал­ма­зы, встал во­прос: а как вы­рас­тить кру­п­ные кри­стал­лы юве­ли­р­но­го ка­че­ства? В СССР к этой те­ме в 1978 го­ду под­клю­чи­ли Ин­сти­тут гео­ло­гии и гео­фи­зи­ки СО АН в Но­во­си­би­р­с­ке (те­перь — Ин­сти­тут гео­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии). Ал­маз рас­тет в экс­тре­маль­ных усло­ви­ях при дав­ле­нии 50-60 ты­сяч ат­мо­сфер и те­м­пе­ра­ту­ре 1400-1500 гра­ду­сов Цель­сия, ко­то­рые ну­ж­но под­дер­жи­вать ча­са­ми и сут­ка­ми. За ру­бе­жом для это­го ис­поль­зу­ют ап­па­рат Belt с мо­щ­ным прес­сом, раз­ра­бо­тан­ный тем са­мым Хол­лом из GE. В Но­во­си­би­р­с­ке по­шли дру­гим пу­тем: со­з­да­ли бес­прес­со­вый ап­па­рат "раз­рез­ная сфе­ра", или БАРС. В его сер­д­це­ви­не — два слоя пу­ан­со­нов, в том чис­ле из кар­би­да воль­фра­ма, а в них вло­же­на ячей­ка вы­со­ко­го дав­ле­ния. Ту­да по­ме­ща­ют ме­тал­ли­че­ский сплав, гра­фит и за­тра­воч­ный кри­стал­лик ал­ма­за. Уче­ные про­дол­жа­ли со­вер­шен­ство­вать обо­ру­до­ва­ние, по­ка на­ко­нец в 1990 го­ду груп­па Юрия Па­лья­но­ва не син­те­зи­ро­ва­ла юве­ли­р­ные кри­стал­лы ве­сом 1,5 ка­ра­та. Эти раз­ра­бо­т­ки ат­те­сто­ва­ны за ру­бе­жом и при­з­на­ны во всем ми­ре.

© Фо­то : Ин­сти­тут гео­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии им. В.С. Со­бо­ле­ва СО РАН/Ю.Н.Па­лья­нов

М­но­го­пу­ан­сон­ные ап­па­ра­ты вы­со­ко­го дав­ле­ния "раз­рез­ная сфе­ра" (БАРС)

Уче­ные вы­ра­щи­ва­ют ал­ма­зы с за­дан­ны­ми свой­ства­ми

Вы­ра­щи­вать кру­п­ные юве­ли­р­ные ал­ма­зы очень сло­ж­но и за­трат­но, по­это­му они вряд ли в обо­зри­мом бу­ду­щем вы­тес­нят при­род­ные. Дру­гое де­ло — вы­со­ко­тех­но­ло­ги­че­ское при­ме­не­ние. Для это­го, как вы­яс­ни­лось, при­род­ные ал­ма­зы не­до­ста­точ­но ка­че­ствен­ные. У ал­ма­за очень под­хо­дя­щие для твер­до­тель­ной ми­к­ро­элек­тро­ни­ки свой­ства. Ал­маз — это ши­ро­ко­зон­ный по­лу­про­вод­ник, устой­чи­вый к вы­со­ким те­м­пе­ра­ту­рам, ра­ди­а­ции, с те­п­ло­про­вод­но­стью в пять раз боль­ше, чем у ме­ди. Что­бы этим вос­поль­зо­вать­ся, ну­ж­ны очень чи­стые кри­стал­лы вы­со­чай­ше­го ка­че­ства и с за­дан­ны­ми свой­ства­ми. В при­ро­де та­кие не встре­ча­ют­ся: ме­ша­ют ми­к­ро­в­клю­че­ния, при­ме­си дру­гих ато­мов, де­фек­ты кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки. "Речь идет пре­ж­де все­го о вы­со­ко­ка­че­ствен­ных мо­но­кри­стал­лах. Ну­ж­ны очень низ­кая пло­т­ность дис­ло­ка­ций и де­фек­тов упа­ко­в­ки, а еще луч­ше без них, с кон­тро­ли­ру­е­мым на­бо­ром де­фек­т­но-­при­мес­ных цен­тров и кон­цен­тра­ци­ей, ко­то­рые в ко­неч­ном ито­ге опре­де­ля­ют свой­ства кри­стал­лов. Есть очень пе­р­с­пе­к­тив­ные на­прав­ле­ния, где ну­ж­ны ал­ма­зы, ле­ги­ро­ван­ные опре­де­лен­ны­ми при­ме­ся­ми. При­чем не­кру­п­ные. Та­ких ал­ма­зов нет в при­ро­де", — рас­ска­зы­ва­ет РИА Но­во­сти Юрий Па­лья­нов, за­ве­ду­ю­щий ла­бо­ра­то­ри­ей экс­пе­ри­мен­таль­ной ми­не­ра­ло­гии и кри­стал­ло­ге­не­зи­са ИГМ СО РАН. Зна­чит, ну­ж­но вы­рас­тить. И сно­ва в ли­де­рах — спе­ци­а­ли­сты из Но­во­си­би­р­ска. Они на­у­чи­лись кон­тро­ли­ру­е­мо ле­ги­ро­вать ал­маз раз­ли­ч­ны­ми эле­мен­та­ми: азо­том, бо­ром, фос­фо­ром, гер­ма­ни­ем, оло­вом, ни­ке­лем, ко­баль­том, ме­дью и да­же са­ма­ри­ем, при­да­вая им раз­ли­ч­ные свой­ства. Эти ис­сле­до­ва­ния под­дер­жи­ва­ет Рос­сий­ский на­уч­ный фонд.

© Фо­то : Ин­сти­тут гео­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии им. В.С. Со­бо­ле­ва СО РАН/Ю.Н.Па­лья­нов

Кри­стал­лы ал­ма­зов, вы­ра­щен­ные с ис­поль­зо­ва­ние раз­ли­ч­ных до­ба­вок. Это пе­р­с­пе­к­тив­ные эле­мен­ты для вы­со­ко­тех­но­ло­ги­ч­ных при­бо­ро­в

На­при­мер, ес­ли до­ба­вить бор в ячей­ку вы­со­ко­го дав­ле­ния, где рас­тет ал­маз, кри­сталл вый­дет си­ним, а глав­ное, он бу­дет об­ла­дать свой­ства­ми по­лу­про­вод­ни­ка p-ти­па. "По­лу­про­вод­ни­ко­вые ал­ма­зы, ле­ги­ро­ван­ные фос­фо­ром, по­ка син­те­зи­ро­ва­ны толь­ко в си­сте­ме фос­фор-у­г­ле­род. Мы пе­р­вые по­лу­чи­ли кри­стал­лы в си­сте­ме гер­ма­ний-у­г­ле­род, они со­дер­жат гер­ма­ний-­ва­кан­си­он­ные оп­ти­че­ские цен­т­ры", — про­дол­жа­ет ис­сле­до­ва­тель. Для это­го со­з­да­ли еще бо­лее экс­тре­маль­ные усло­вия: те­м­пе­ра­ту­ра 1500-1900 гра­ду­сов, дав­ле­ние — 70 ты­сяч ат­мо­сфер. Гер­ма­ни­е­вые ал­ма­зы ин­те­рес­ны как ис­точ­ни­ки оди­ноч­ных фо­то­нов в ку­би­тах кван­то­вых ко­м­пью­те­ров. Вы­ра­щен­ные груп­пой Па­лья­но­ва ал­ма­зы ис­поль­зу­ют как эле­мен­ты в ИК Фу­рье-с­пе­к­тро­мет­рах, для рен­т­ге­но­в­ской оп­ти­ки, как де­тек­то­ры иони­зи­ру­ю­ще­го из­лу­че­ния, эле­мен­ты ал­маз­ных на­ко­ва­лен, в хи­рур­ги­че­ских скаль­пе­лях.

© Фо­то : Ин­сти­тут гео­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии им. В.С. Со­бо­ле­ва СО РАН/Ю.Н.Па­лья­нов

Кри­стал­лик ал­ма­за, ле­ги­ро­ван­ный гер­ма­ни­ем. Спра­ва — кри­стал­ли­че­ская ре­шет­ка с встро­ен­ным ато­мом гер­ма­ния (крас­ный). Пер­с­пе­к­тив­ный ма­те­ри­ал для кван­то­во­го ко­м­пью­те­ра

При­ро­да не сда­ет­ся

В син­те­зе ал­ма­зов — не­бы­ва­лый про­гресс. На­вер­ное, уче­ные вы­яс­ни­ли и то, как этот ми­не­рал об­ра­зу­ет­ся в нед­рах? Ока­зы­ва­ет­ся, еди­ной точ­ки зре­ния на этот счет нет. Сво­е­об­раз­ным око­ш­ком в под­зе­м­ную ла­бо­ра­то­рию слу­жат ки­м­бер­ли­ты — по­ро­ды, воз­ни­к­шие в ре­зуль­та­те про­ры­ва глу­бин­но­го ма­те­ри­а­ла в зе­м­ную ко­ру. Имен­но они слу­жат ис­точ­ни­ком юве­ли­р­ных ал­ма­зов. Ки­м­бер­ли­ты — это кар­бо­нат­но-­си­ли­кат­ная мат­ри­ца, ку­да впе­ча­та­ны кус­ки (к­се­но­ли­ты) из ман­тии. Счи­та­ет­ся, что там об­ра­зу­ют­ся ал­ма­зы, об этом го­во­рят вклю­че­ния в них глу­бин­ных ми­не­ра­лов. "Од­но из на­ших на­прав­ле­ний — экс­пе­ри­мен­таль­ное мо­де­ли­ро­ва­ние про­цес­сов об­ра­зо­ва­ния ал­ма­зов в при­ро­де. Мы со­з­да­ем при­б­ли­жен­ные к есте­ствен­ным кар­бо­нат­ные, кар­бо­нат-­си­ли­кат­ные, суль­фид­ные рас­пла­вы, а та­к­же флю­и­ды си­сте­мы C-O-H-N-S. Это по­мо­га­ет по­нять ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния ал­ма­за в зе­м­ных нед­рах. Нам впе­р­вые уда­лось син­те­зи­ро­вать ал­ма­зы в кар­бо­нат­ных сре­дах при те­м­пе­ра­ту­рах и дав­ле­ни­ях, как в при­ро­де, и опуб­ли­ко­вать это в Nature", — го­во­рит уче­ный. Есть не­сколь­ко ги­по­тез про­ис­хо­ж­де­ния ал­ма­зов. Ско­рее все­го, кри­стал­лы рас­тут в нед­рах на раз­ной глу­би­не, из раз­ных рас­пла­вов и флю­и­дов. "За по­след­ние де­сять лет до­ба­ви­лось мно­го ин­фор­ма­ции. Ак­тив­но изу­ча­ют сверх­глу­бин­ные ал­ма­зы и в не­ко­то­рых мо­де­лях обос­но­вы­ва­ют глу­би­ну об­ра­зо­ва­ния до 600 ки­ло­мет­ров. По­ка­за­но, что с глу­би­ны 250 ки­ло­мет­ров ман­тия ста­но­ви­т­ся на­столь­ко вос­ста­но­в­лен­ной, что в ней мо­жет су­ще­ство­вать ме­тал­ли­че­ское же­ле­зо. Посколь­ку окис­лен­ные по­ро­ды зе­м­ной ко­ры, в том чис­ле с кар­бо­на­та­ми, по­гру­жа­ют­ся в ман­тию, они спо­соб­ны вза­и­мо­дей­ство­вать с же­ле­зо-­со­дер­жа­щи­ми по­ро­да­ми. В 2013 го­ду мы смо­де­ли­ро­ва­ли та­кой про­цесс и по­лу­чи­ли фаб­ри­ку раз­ных ал­ма­зов. На­и­бо­лее ве­ро­ят­ный ме­ха­низм рас­кры­ва­ет­ся в на­шей ста­тье в PNAS", — за­клю­ча­ет Юрий Па­лья­нов.