Свойства и методы производства искусственных алмазов
Минералы и полезные ископаемые имеют свойство заканчиваться в недрах земли. Но у людей есть потребность в использовании различных минералов, в том числе и алмазов. Поэтому с развитием технологий начинается разработка и переход на искусственную добычу камней. Искусственные алмазы практически ничем не отличаются на сегодняшний день от натуральных минералов. По виду камни сложно отличить даже геммологам, что свидетельствует о высоком уровне сходства.
Ценные свойства алмаза
Конечно, даже развитие аппаратуры и технологий еще не стало причиной полного перехода от природных камней на синтетические алмазы. Пока компании по выращиванию алмазов в лабораториях руководствуются принципом «два из трех»:
Два из трех критериев выбирается в процессе, но пока предел или идеал не достигнут, ученым есть к чему стремиться.
Большинство людей видят в магазинах алмазы уже в обработанном виде в качестве бриллиантов. Камни оправляются в драгметаллы и выступают в роли дорогостоящих украшений.
По химическому составу бриллиант является углеродом с особым строением кристаллической решетки. Происхождение минералов точно не известно. Существует даже теория космического происхождения алмазов. Наверное, поэтому сложно полностью повторить или воссоздать картину образования камня в лаборатории.
Первые попытки синтезировать камень начались после исследования структуры алмаза — она очень плотная, кристаллическая решетка состоит из атомов, соединенных ковалентными сигма-связами. Разрушить эти соединения легче, чем их сформировать.
Несмотря на то что бриллиант является украшением номер один, камень используется во многих сферах, помимо ювелирного дела. Именно этот фактор и натолкнул ученых на синтез искусственных камней. А еще алмаз имеет уникальные характеристики с точки зрения химии и физики:
- Самая высокая твердость (10 из 10 по шкале Мооса). Даже состав сплава стали не настолько твердый, как алмаз.
- Температура плавления вещества 800-1000 градусов Цельсия с доступом кислорода и до 4000 градусов Цельсия без доступа кислорода, с дальнейшим превращением алмаза в графит.
- Алмаз используется в качестве диэлектрика.
- У минерала самая высокая теплопроводность.
- Камень обладает люминесценцией.
- Минерал не растворяется в кислоте.
Выход на рынок синтетических алмазов может случиться в один момент и стать неожиданностью. Алмазная индустрия претерпит изменения, уменьшатся объемы продаж. Из камня начнут изготавливать полупроводники. Из-за высокой температуры плавления, полупроводники из алмаза можно разогревать до больших показателей, чем кремний. При температурах около 1000 градусов Цельсия кремний в микросхемах начинает плавиться и отключается, а алмаз продолжает работать.
Искусственный алмаз — действительно полезная вещь в науке и производстве. Среди ученых, которые занимаются синтезом алмазов для промышленности распространена такая поговорка: «Если ничего нельзя сделать из алмаза, сделайте из него бриллиант».
Методики создания вещества
Первые попытки получить алмаз искусственный начались еще в конце XVIII века, когда стало известно о составе камня, но технологии не позволяли воссоздать нужную температуру и давление для образования минерала. Только в пятидесятых годах XX века попытки синтеза вещества увенчались успехом. Среди стран, выращивающих алмазы, были США, ЮАР, Россия.
Оборудование для создания искусственных алмазов
Первые синтетические алмазы были далеки от идеала, но сегодня камни практически неотличимы от природных алмазов. Процесс выращивания является трудоемким и материально затратным. Существует несколько вариантов и форм синтеза алмаза:
- Способ получения HPHT-алмазов. Эта методика близка к природным условиям. При ней необходимо соблюдать температуру 1400 градусов Цельсия и давление в 55000 атмосфер. В производстве используются затравочные алмазы, которые кладут на пласт из графита. Размер затравочных камней до 0,5 миллиметров в диаметре. Все компоненты размещают в специальном устройстве, напоминающем автоклав в определенном порядке. Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла, который является катализатором, затем прессованный графит. Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. Синтез продолжается от 4 до 10 дней, все зависит от требуемых размеров камня. Весь потенциал методики не раскрыт, и не все ученые доверяли этой технологии, пока не увидели созданные крупные кристаллы ювелирного качества. Огранка у полученных камней одинаковая.
- Синтез CVD-алмазов. Аббревиатура расшифровывается, как «осаждение из пара». Второе название процедуры — пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. Именно она создает промышленные алмазы, которые можно использовать даже для лезвий в микрохирургии. По технологии также нужна подложка, на которую помещается алмазная затравка и все это располагается в специальных камерах. В таких камерах создаются вакуумные условия, после чего пространство заполняется газами водорода и метана. Газы разогреваются с помощью СВЧ-лучей до температуры 3000 градусов Цельсия, и углерод, который был в метане, оседает на основу, которая остается холодной. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота. Эта методика напугала большинство концернов, добывающих камень в природе, поскольку она способна дать чистый и большой кристалл. Такой камень практически не будет иметь металлических примесей и его сложнее будет отличить от натурального. Алмазы, полученные по этой технологии, можно будет использовать в компьютерах в качестве полупроводника вместо кремниевых пластин. Но для этого необходимо усовершенствовать методику выращивания, поскольку пока размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин доходят до отметки 1 сантиметр, но через 5 лет планируется достижение планки в 10 сантиметров. А стоимость карата такого вещества не будет превышать 5 долларов.
- Способ взрывного синтеза — одна из последних задумок ученых, позволяющих получить искусственный алмаз. Методика дает возможность получить искусственный камень за счет детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения после взрыва. Кристаллы в результате получаются мелкие, но способ приближен к естественному образованию минералов.
А еще недавно возникло направление, позволяющее создавать мемориальные алмазы. Эта тенденция позволяет увековечить память о человеке в камне. Для этого тело после смерти поддается кремации, а из праха изготавливается графит. Далее графит используется в одном из способов синтеза алмазов. Так, камень содержит в себе останки тела человека.
Поскольку все способы дорогостоящие, нередко в ювелирном деле используют не искусственные вещества, а подделки или другие разновидности камня. Стекляшка среди алмазов — самая дешевая и устаревшая практика. На сегодняшний день она неудачная, поскольку распознать подлинник от подделки можно легко — достаточно царапнуть камень или посмотреть на игру света. Чаще всего в качестве бриллиантов продают фианиты.
Перспектива развития синтеза алмаза
Будущее синтетического алмаза начинается именно сегодня. Искусственный минерал стал символом времени, и вскоре у людей появится доступ к недорогим и красивым изделиям. Но пока технологии находятся на стадии развития и совершенствования. Например, лаборатория в Москве способна выращивать по вышеперечисленным технологиям до 1 килограмма алмазов в год. Конечно, этого мало для обеспечения потребностей промышленности. Дальнейшие обработки добываемых камней также требуют времени и оборудования.
Поэтому пока добыча алмазов ведется традиционными способами, и никто не отказывается от разработки новых месторождений, открытия кимберлитовых трубок. Как только появилось производство искусственных алмазов, компания De Beers — практически монополия на рынке алмазов — начала переживать о своем бизнесе. Годовой оборот концерна составляет до 7 миллиардов долларов в год. Но пока синтетические камни не являются конкурентами натуральным алмазам, а их доля на рынке достигает всего 10%.
А еще, вместе с синтезом, развивалась и геммология, которая позволяет рассказать о происхождении камня. Синтетические алмазы можно легко отличить от натуральных. В качестве признаков выделяют:
- включения металлов в камнях из лаборатории;
- секторы роста, которые определяются в цветных алмазах;
- разный характер люминесценции алмазов.
Технологии и знания ученых совершенствуются с каждым днем. Процесс запущен, над ним работают специалисты. В скором времени мир увидит результаты и, возможно, даже откажется от традиционной добычи алмазов из недр земли.
Источник
«Это изменит алмазный бизнес». Эксперты — о выращенных бриллиантах
Бывший президент алмазодобывающего холдинга «Алроса» Андрей Жарков сегодня занимается продвижением технологий выращивания бриллиантов. Его компания Ultra C (основана в 2017 году в Москве) пока проходит этап лабораторных испытаний и готовится приступить к промышленному производству синтезированных алмазов. В 2018-м вместе с супругой Викторией Даниловой Андрей Жарков основал ювелирную компанию Shiphra. На сегодняшний день это первый и единственный в мире бренд уровня fine jewelry, создающий украшения с искусственно выращенными бриллиантами. Предприниматели рассказали «РБК Стиль» об инвестиционном потенциале выращенных алмазов и об их конкуренции с природными экземплярами.
Андрей Жарков,
основатель компании Ultra C
— Чем отличаются лабораторно выращенные бриллианты от натуральных, созданных природой?
— Строго говоря, ничем. Это тот же самый углерод с кристаллической решеткой, что и у обычного бриллианта. У них одинаковые химические, физические и оптические свойства, поэтому природный и синтезированный камни невозможно отличить ни на глаз, ни с помощью оптических приборов. Это возможно сделать лишь с помощью профессионального оборудования для спектрального анализа. И, собственно, разница спектров натуральных и выращенных бриллиантов служит основой для их различия.
— В Америке все это называется словом «бриллиант». Это справедливо?
— Конечно. Ведь получаемый в лаборатории продукт — это не стекло, не кварц и не имитация алмаза, добытого в недрах. Он имеет свойства, идентичные природному бриллианту, например ту же твердость 10 по шкале Мооса. Вместе с тем это продукт высокотехнологичный, т.е. подлежит масштабированию, его можно производить в промышленном количестве, поэтому с точки зрения редкости он почти антагонист природному камню. Добытый бриллиант обладает вторичной стоимостью, которая определяется его редкостью. C инвестиционной точки зрения у выращенного бриллианта нет вторичной стоимости, также не интересны для инвестиций и природные алмазы весом до 10 каратов. В среднем 1 карат природного камня в два-четыре раза дороже лабораторного образца с равнозначными характеристиками.
— Значит ли это, что мы можем вырастить бриллиант с любыми заданными свойствами?
— Мы можем спрогнозировать цвет, каратность и чистоту будущего камня. Существует две основных технологии выращивания. Первая — HPHT (высокое давление, высокая температура), известная с 50-х, использует прессы. Вторая, более новая, — CVD — это осаждение из газовой фазы (процесс идет в реакторе). В области первой технологии замечательные результаты показала российская компания New Diamond Technologies из Сестрорецка, их рекорд — камень весом 22 карата. Наша Ultra C работает с технологией осаждения из газовой фазы. Этот метод дает возможность более четкого контроля параметров роста, т.е. финальных характеристик бриллианта. Для получения фантазийных оттенков добавляются примеси соединений азота (для желтых), бора (для голубых). В среднем один цикл роста составляет 21– 30 дней.
— А что служит сырьем?
— Графит, расплав, т.е. металлический сплав, и затравка — «зернышко» алмаза, на которое этот графит потом осаждается. Это может быть как натуральный, так и выращенный фрагмент.
— Очень похоже на выращивание культивированного жемчуга .
— Именно так. Но культивированный жемчуг растет в естественной морской среде, а алмаз формируется в реакторе, в котором созданы условия, идентичные недрам земной коры.
— А как обстоит дело с сертификацией лабораторных бриллиантов?
— Они получают сертификаты от тех же уважаемых мировых институций GIA, HRD, IGI с указанием их цвета, размера, чистоты, типа огранки и с обязательным упоминанием, что этот камень выращен в лабораторных условиях. Эти официальные сертификаты очень важны для конечного покупателя, который осознает, что перед ним украшение не с природным алмазом, но и не с куском стекла. Пока далеко не все понимают, что такое лабораторно выращенные бриллианты. Так что одной из наших задач мы считаем повышение грамотности в этом вопросе.
Один карат природного камня в два-четыре раза дороже лабораторного образца с равнозначными характеристиками.
— Как конкурируют между собой алмазодобывающая отрасль и производители лабораторных бриллиантов?
— Говоря о конкуренции природных и лабораторно выращенных бриллиантов, необходимо отметить, что, с одной стороны, синтезированные камни стали триггером для новых потребителей в силу их большей доступности, с другой — производство выращенных алмазов, несомненно, disruptive technology (прорывная технология. — «РБК Стиль»), которая изменит традиционный алмазный бизнес. Спрос на выращенные бриллианты будет расти в первую очередь благодаря их промышленному использованию в высокотехнологичной индустрии. И глубина этого «технического» рынка в десятки раз превосходит объемы производства камней ювелирного качества.
Если же говорить о ювелирных лабораторных бриллиантах, то они отлично укладываются в глобальную парадигму демократизации, ответственного потребления, сохранения экологии. Миллениалы предпочитают тратить деньги на эмоции и впечатления, поэтому в списке их покупок материальные ценности занимают далеко не первые строчки. Им больше не важен и не интересен лозунг De Beers «Diamonds are forever», надолго привязавший бриллиант к вечным ценностям и особым моментам жизни.
— А что говорят цифры?
— Мировой рынок ограненных бриллиантов составляет $21–22 млрд. Объем лабораторных ограненных камней на сегодняшний день приближается к $1 млрд, но через пять лет он имеет все шансы увеличиться в четыре-пять раз. По итогам 2019 года было выращено 2 млн каратов бриллиантов, через три-четыре года эти показатели приблизятся к 10 млн каратам. Для сравнения: рынок природных алмазов составляет 140 млн каратов и добыча постепенно сокращается.
О бренде Shiphra
Виктория Данилова,
креативный директор Shiphra
Я покупала украшения разных брендов и понимала, что мне не хватает красивых, эффектных, заметных вещей и персонального подхода при покупке. Мы сразу решили, что лабораторно выращенные бриллианты должны стать частью высокого ювелирного искусства. Поэтому отказались от идеи демократичного сегмента и масс-маркета: в среднем украшения Shiphra стоят $30–50 тыс., их цена не опускается ниже $20 тыс. Конечно, есть предметы и за сотни тысяч: например, кольцо с уникальной парой розовых камней по 2,86 карата. Оно было продано за $200 тыс., а будь в нем природные камни, оно могло бы стоить до $6 млн. Мы хотим продемонстрировать, что сегмент high jewelry намного доступнее, чем может показаться. Клиенты нам верят: у нас нет разовых продаж, все покупатели возвращаются. Хочется, чтобы наш российский бренд стал полноценным игроком на мировом рынке.
Ювелирная компания зарегистрирована в Швейцарии, а производство находится в Италии, в Валенце, по соседству с известными мировыми брендами. Ряд фабрик отказались с нами сотрудничать из-за ненатуральных бриллиантов, считая, что это испортит их репутацию. Незадолго до пандемии мы начали продаваться в мультибрендовом магазине на Мэдисон-авеню в Нью-Йорке. В Москве работает шоурум по предварительной записи. Мы абсолютно уверены, что скоро на рынке украшений с неприродными бриллиантами появятся и другие игроки. И нам важно сразу установить эту максимально высокую планку качества, чтобы отношение к рынку изделий из лабораторно-выращенных бриллиантов было соответствующим.
Источник