Тайны образования алмазов в природе. Как выглядит натуральный алмаз

Министерство финансов РФ в результате открытого аукциона по реализации на внутреннем рынке алмазов специальных размеров массой 10,8 карата и более, проведенного на территории Гохрана России, реализовало камней общей массой 3,4 тысячи карата на общую сумму около 12,8 миллиона долларов, сообщили РИА Новости в Гохране.

Первая "С" - carat weight (вес). На этом этапе идет точное определение веса камня путем взвешивания на весах или расчета по формулам, если бриллиант закреплен в изделии. Вес бриллианта выражается в каратах.

Вторая "С" - color (цвет). Совершенно бесцветные алмазы встречаются довольно редко, и практически все камни имеют оттенки различных цветов и интенсивностей. В задачу эксперта входит точное определение интенсивности и цвета бриллианта при стандартном освещении с использованием эталонов цвета.

Третья "С" - clarity (чистота). На этом этапе выявляются все внутренние несовершенства (дефекты) камня.

Четвертая "С" - cut (качество огранки). На этом этапе дается характеристика формы бриллианта, качества огранки и финишной обработки.
На основании этих параметров можно судить о том, как данный бриллиант выделяется среди других бриллиантов, на основании чего он может быть дороже, или, наоборот, дешевле.

Мировыми лидерами по добыче алмазов являются Африка и Россия. Главные африканские страны-алмазодобытчики - Ботсвана, Южноафриканская Республика и Конго (Демократическая Республика), Ангола и Намибия.

По данным Министерства финансов РФ, объем добычи алмазов в России в 2008 году составил 36,925 млн каратов общей стоимостью в 2,509 млрд долларов. Средняя стоимость одного карата добытых в РФ алмазов составила 67,95 доллара.

Согласно материалам Кимберлийского процесса (в рамках Кимберлийского процесса мировое сообщество ведет борьбу с нелегально добытыми в зонах конфликтов алмазами, мировым лидером по добыче алмазов в стоимостном выражении в 2008 году стала Ботсвана. В этой стране были добыты алмазы на сумму 3,273 млрд долларов . Россия по добыче в стоимостном выражении заняла 2-е место в мире. В мировом рейтинге по добыче в каратах (36,925 млн) Россия заняла первое место в мире.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

В природе алмазы встречаются в основном в особых земных породах магматического происхождения - кимберлитах и лампроитах, а также в образованных остатками этих пород россыпях.

Алмазы метеоритного происхождения

Алмазы в виде мельчайших вкраплений часто находят в некоторых видах каменных и металлических метеоритов, а также импактитах – образованиях, возникших в месте удара о землю метеоритов.

Первыми алмазы в метеоритах обнаружили русские ученые М. В. Ерофеев и П. А. Лачинов в 1888 году. Они изучали каменный метеорит Новый Урей весом в 2116 граммов, который упал в 1886 году в Мордовии.

Алмазы в железном метеорите были обнаружены в 1891 году при исследовании осколков метеорита Canyon Diablo, упавшего примерно 20-40 тысяч лет назад в Аризоне, США, недалеко от одноименного каньона. Полагают, что вес этого метеорита составлял примерно 30 тонн.

Откуда в метеоритах алмазы?

Существует несколько гипотез происхождения алмазов в метеоритах. К сожалению, гипотеза об алмазосодержащих метеоритах как о части какого-то крупного тела или даже планеты из алмазов не находит подтверждения. Большинство ученых склоняются к версии, что алмазы в метеоритах имеют импактное происхождение, образовываясь в момент соударения в поясе астероидов.

От удара метеоритов о землю появляются особые породы - импактиты (от англ. impact - «столкновение», «удар»). В момент удара развивается огромное давление в десятки ГПа и температура в 2000-3000°С. В этих условиях углерод, содержащийся в соударяемых веществах, может преобразовываться в алмаз.

Алмазы импактного происхождения иногда образуют значительные залежи. В России широко известна Попигайская астроблема. Это кратер размером примерно 100 километров, возникший около 35 миллионов лет назад на границе современных Красноярского края и Якутии от удара метеорита размером около 7 километров. Однако, несмотря на значительную концентрацию, импактные алмазы слишком мелкие для промышленной добычи.

В настоящее время, все добываемые и используемые алмазы имеют земное происхождение.

Алмазы земного происхождения

Существует множество теорий происхождения алмазов в недрах земли. Большинство специалистов сходятся во мнении, что добываемые алмазы образовались в мантии земли от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет назад, на глубинах от 100 до 200 километров при температурах от 900 до 1300°С и давлении около 4-5 ГПа (примерно 40 000-50 000 атмосфер). На поверхность земли алмазы были доставлены магматическими породами (кимберлитами и лампроитами) в результате взрывных процессов. Имеются различные данные об образовании алмазов на глубинах до 700 километров.

Как образуются алмазы в магматических породах?

Многочисленные теории о механизме возникновения алмазов в магматических породах можно условно разделить на три группы.

• К первой относятся теории, которые связывают образование алмазов в верхних зонах земной коры при застывании магмы с попадающими в нее углеводородами из «вмещающих» пород.
• Вторая предполагает образование алмазов в глубине ультраосновных пород, которые затем подвергаются дезинтеграции расплавленной магмой, в результате чего алмазы высвобождаются и увлекаются вверх магматическим потоком.
• К третьей группе относятся теории, предполагающие образование алмазов в глубине ультраосновной магмы, а так же частично и в процессе ее подъема к поверхности. Этот механизм образования алмазов считается в настоящее время наиболее вероятным.

Алмаз в природе не является очень редким веществом, однако для промышленной добычи доступно ограниченное число месторождений.

Группа ученых из Германии и Канады определила, как именно алмазы, формирующиеся на колоссальной глубине, оказываются в кимберлитовых трубках. До недавнего времени эта важная деталь формирования самых главных драгоценных камней оставалась неясной. Теперь ученые надеются, что сделанное ими открытие поможет лучше понять динамику процессов формирования алмазов и, чем черт не шутит, поможет в будущем искать новые месторождения.

Экзотика

Чистый углерод встречается в природе в нескольких основных формах. Наиболее привычная всем - графит. В этом материале атомы углерода организованы в слои. В каждом слое атомы C располагаются в вершинах гексагональной (шестиугольной) решетки. Слои довольно слабо связаны между собой. Благодаря этому (то есть слабой взаимосвязи) Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2004 году смогли получить графен - ровно один слой графита, используя обычный скотч, хотя это и .

Надо сказать, что алмаз не является самой твердой аллотропной модификацией углерода. В настоящее время этот титул принадлежит специально обработанному лонсдейлиту. Структура его кристаллической решетки напоминает структуру решетки алмаза, за что данный материал даже получил имя гексагональный алмаз. Как показало компьютерное моделирование, обработанный образец лонсдейлита разрушается при давлении 152 гигапаскаля. Подобные материалы образуются при падении метеоритов.

Алмаз - кстати, по-гречески "адамас", что значит "несокрушимый" - является прямым родственником графита и угля, или, как говорят ученые, аллотропной модификацией углерода (как следствие, например, при температуре 2000 градусов Цельсия в струе кислорода алмаз сгорает почти без следа, превращаясь в углекислый газ). В нем атомы углерода расположены иным образом, нежели в графите. Атомы расположены в кубической гранецентрированной решетке - каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре соседа. Среди прочего, именно подобным расположением атомов объясняется необычайная твердость алмаза - образец разрушается при давлении в 97 гигапаскаль.

Надо сказать, что эта модификация углерода издревле привлекала людей своими необычными оптическими свойствами. Дело в том, что у алмаза большие показатели преломления и дисперсия. Как следствие, в случае правильной огранки (то есть когда мы говорим по сути о бриллианте) он очень красиво сверкает, разлагая, среди прочего, свет на спектральные составляющие. Благодаря этой своей в целом интересной, но тривиальной, с точки зрения науки, особенности алмазы относятся к драгоценным камням. В наше время алмазы массово используются в промышленности благодаря своей твердости.

Как возникают алмазы? С точки зрения геологии, есть несколько способов. Так как ученые из Германии и Канады, о которых шла речь в начале статьи, интересовались наиболее распространенным - магматическим - способом, то начнем с наименее вероятных. Ученым известно, что алмазы образуются, с одной стороны, при колоссальном давлении - 50000 атмосфер - и относительно небольшой температуре - 900 -1300 градусов по Цельсию. По мнению исследователей, такие условия могут возникать, например, при падении метеоритов. К таким алмазам относят, например, обнаруженные в кратере Попигай в Сибири.

Еще один способ, крайне редкий, это превращение графита в алмаз. Несмотря на то, что эти два материала - родственники и подобный способ получения алмазов был описан в "Утиных историях" (Скрудж Макдак использовал арахис, чтобы привлечь слонов, которые своим топотом превратили уголь в истощенном месторождении в алмазы), в мире существует единственное месторождение, алмазы в котором появились именно в результате такого процесса. Это Кумдыкульское месторождение, и оно находится в Северном Казахстане, в 25 километрах к юго-западу от города Кокшетау. Алмазы образовались здесь в результате погружения углеродсодержащих осадочных пород в мантию. Такие алмазы называются алмазами метаморфогенного (то есть преобразования под действием температуры и давления) типа.

Сюда же можно отнести так называемые карбонадо - черные алмазы, относительно которых среди ученых до сих пор нет консенсуса. Согласно одному мнению, они образовались в результате падения метеорита, согласно другому - они появились из органического углерода. На это указывает, в частности, соотношение разных изотопов этого элемента в алмазе.

Кимберлит - не единственный материал, связанный с алмазами. В 70-х годах прошлого века в Австралии было открыто богатейшее месторождение преимущественно промышленных алмазов, связанное с лампроитами. Это также вулканическая порода. Примечательно, что алмазы, обнаруженные в разных породах, по свойствам почти не отличаются.

Вместе с тем обычные прозрачные алмазы формируются, с точки зрения геологии, довольно просто. Сначала происходит извержение вулкана. Если все сложилось удачно (в частности, попалась правильная магма), то в том месте, где она прорывалась на поверхность, образуется коническая кимберлитовая трубка. Порода названа так в честь города Кимберли в ЮАР, где впервые эта порода была обнаружена в конце XIX века - до этого момента алмазы находили в руслах рек (так называемые вторичные месторождения), куда они попадали в результате размыва тех же кимберлитовых трубок.

Образование кимберлитовой трубки может происходить только в случае подъема магмы со значительной глубины - примерно 150 километров, что как минимум втрое глубже залегания "обычной" магмы для вулканов. Физические условия, о которых говорилось выше, существуют только там, где располагаются кратоны - ядра материков. Именно эта особая магма поднимается с глубин и, вырываясь на свободу, дает алмазы.

Лучшие друзья девушек

Надо сказать, что в этой теории есть слабое место. Как уже говорилось выше, алмазы горят. Чистого кислорода в мантии, конечно, нет, однако длительное пребывание алмазов в раскаленной толще все равно должно приводить к их уничтожению. Из этого вытекает, что та самая особая магма, о которой говорилось выше, поднимается на поверхность очень и очень быстро. Геологи раньше обходили эту деталь стороной (поднимается и поднимается, что поделать), поэтому точные причины этого процесса были неясны.

В рамках новой работы ученые использовали специальную плавильню, чтобы получить вещество, напоминающее магму из земных глубин. В частности, расплав содержал большое число карбонатов - солей угольной кислоты. Ученые предположили, что в процессе своей жизни такая магма встречается с магмой с большим количеством пироксенов (группой минералов, часто породообразующих, содержащих кремний). Из-за этого способность расплава растворять разного рода вещества - например, углекислый газ - снижается в несколько раз.

Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи добавили в расплав пироксены и стали ждать. По словам одного из ученых, Келли Рассела, он был шокирован, когда буквально за 20 минут горячее вещество превратилось по сути в пену. Из этого ученые заключили, что подобные пенные карманы вполне могут образовываться на глубине около 150 километров.

Конец

Что же происходит, когда такой карман образуется? На огромной скорости он начинает всплывать. При этом скорость всплытия может достигать 40 километров в час. При этом карман при всплытии ускоряется. По словам ученых, это может иметь существенные последствия для теории образования алмазов. Быть может даже, это поможет в поиске новых месторождений. Как бы то ни было, но новая работа позволяет прояснить детали формирования алмазов. А дьявол, как известно, в этих деталях и кроется.

Где растут алмазы

Первые эксперименты по синтезу алмаза в Институте геологии и геофизики СО АН СССР относятся к 1979 г. В результате многолетних исследований к настоящему времени в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН создана уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и комплекс оригинальных методов выращивания крупных кристаллов алмаза с заданными свойствами, разработаны экспериментально обоснованные модели генезиса природных алмазов. В ячейке высокого давления крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы 6 карат. Процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 тыс. атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества, уникальные свойства которого можно использовать в современных устройствах для достижения рекордного уровня параметров приборов твердотельной электроники. Успехи ученых лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН позволили начать работы по практическому применению монокристаллов синтетического алмаза. Весьма актуальным является экспериментальное моделирование процессов природного алмазообразования. Специалисты лаборатории установили, что процессы зарождения и роста алмаза контролируются главным образом содержанием карбонатов, Н 2 О, СО 2 и щелочей в глубинных флюидах и расплавах. Впервые экспериментально доказано, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза...

Алмаз является самым удивительным и таинственным минералом. Он всегда привлекал внимание ученых и постепенно раскрывал свои тайны. Достаточно вспомнить истории о том, как в 1772 г. французский химик Лавуазье на глазах изумленной публики сжег алмаз, доказав, что он состоит из углерода; как в 1913 г. отец и сын Брегги расшифровали структуру этого минерала; как в «голубой земле» Южной Африки были найдены первые алмазы. А еще можно вспомнить о многочисленных попытках получения искусственных кристаллов, об экзотических опытах Муассана, синтезировавшего «алмазы», которые потом оказались карбидами. Конечно, это уже история, а мы поговорим об актуальных проблемах сегодняшней алмазной науки и немножко заглянем в завтра…

Броня крепка…

Анализ существующих методов получения алмаза показывает, что подавляющее большинство из них позволяет реализовать лишь синтез алмазной фазы в кратковременных процессах спонтанной кристаллизации. Одним из основных методов, обеспечивающих выращивание достаточно крупных монокристаллов, является метод температурного градиента, в котором алмаз растет из раствора углерода в расплаве металлов. Этот метод реализуется при давлениях 50-60 тыс. атмосфер в диапазоне температур 1400-1600 °С. Следовательно, для выращивания крупных кристаллов алмаза нужна прежде всего аппаратура, способная создавать такие условия.

Лидеры в данной области – корпорации Де Бирс, Сумитомо Электрик Индастриз и Дженерал Электрик используют для получения алмаза аппараты Belt , оснащенные мощным прессовым оборудованием массой до 200 т. В нашей стране аппаратуры такого класса не было.

В 1970-х гг. в Институте геологии и геофизики СО АН СССР по инициативе д. г. -м. н. профессора А. А. Годовикова и к. г. -м. н. И. Ю. Малиновского начались работы по созданию аппаратов высокого давления. Здесь уместно сделать отступление и сказать, что в это время бриллианты из первых крупных кристаллов синтетического алмаза, полученных учеными из Дженерал Электрик, уже были подарены английской королеве. В 1978 г. мы начали работы по тематике, связанной с синтезом алмазов. А в 1979 г. уже получили первые алмазы! Очень мелкие и черные. Посмотреть на первые алмазы приходили из всех лабораторий. Коллеги из европейской части страны нашей радости не понимали и говорили обидные слова про изобретение велосипеда и его квадратные колеса. Время шло, заводы тоннами производили алмазные порошки по «скорострельным» технологиям. Наши конструкторы Э. Н. Ран, Я. И. Шурин и В. Н. Чертаков под руководством И. Ю. Малиновского делали все новые и новые аппараты, а мы старались научить эти установки работать и учились сами.

В стране по-прежнему не было крупных синтетических алмазов. Лишь к концу 1980-х гг. в Новосибирске был создан многопуансонный аппарат «разрезная сфера», на котором впервые в России мы получили крупные кристаллы синтетического алмаза ювелирного качества массой до 1,5 карат (Пальянов и др., 1990). Для получения крупных кристаллов алмаза нужно было не только создать высокие давления и температуру, но и поддерживать эти параметры постоянными в течение нескольких дней и даже управлять при таких условиях сложнейшими процессами роста кристаллов.

В результате совместных исследований с сотрудниками Американского геммологического института (The Gemological Institute of America ) в авторитетном международном журнале Gems & Gemology появилась статья с многозначным названием: «Геммологические свойства русских кристаллов синтетического алмаза ювелирного качества» (Shigley et al. , 1993). После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура , БАРС-технологии и БАРС-кристаллы . БАРС – это беспрессовый аппарат разрезная сфера.

Три тонны высококачественной специальной стали в каждой установке высокого давления – это наша броня, которая действительно крепка. За созданием современных БАРСов стоит огромный труд десятков сотрудников института, которые в разные годы внесли свой посильный вклад в эту разработку. Исследования в области создания синтетических алмазов неизменно поддерживались академиками Н. Л. Добрецовым и Н. В. Соболевым.

Современный БАРС совсем не похож на другие установки высокого давления. Он открывается подобно гигантской ракушке, а внутри, как жемчужина, расположен стальной шар диаметром 300 мм. Шар симметрично разрезан на одинаковые сегменты. Представьте, что вы разрезали арбуз на восемь равных частей. Получились такие трехгранные пирамидки со сферическим основанием. Теперь положили их на стол коркой вниз и срезали параллельно столу самое вкусное. Получили сегменты (или пуансоны ) первой ступени.

Если вы снова соберете эти сегменты в сферу, то внутри нее получится полость в форме октаэдра. В этой полости расположены пуансоны из карбида вольфрама (твердый сплав или победит) – только этот материал выдерживает огромные давления. Шесть пуансонов второй ступени собираются в форме октаэдра, внутри размещается ячейка высокого давления. Именно в ней происходят таинственные процессы зарождения и роста кристаллов алмаза. При достижении необходимых температуры и давления углерод, находящийся в наиболее горячей зоне (исходно это графит), растворяется в расплаве металлов и транспортируется в более холодную зону, куда помещен маленький затравочный кристаллик алмаза, который постепенно растет и на четвертые сутки достигает двух карат. Конечно, это только в том случае, если вы все сделали правильно.

Алмазы бывают разные

Хорошо известно, что алмаз имеет высочайшую твердость, которая обеспечивает традиционное его использование в технике. Но алмаз, кроме того, обладает и другими уникальными свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью, в пять раз превышающей теплопроводность меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, а также способность легироваться электрически активными примесями. Мы привыкли к тому, что само слово «алмаз» автоматически подразумевает полезность всего, что с ним связано. И это совершенно справедливо.

Однако реальная картина выглядит гораздо сложнее и интереснее. Нас прежде всего интересует максимально высокий уровень качества, который условно назовем приборным. Именно на этом уровне алмаз должен проявить себя в современных приборах и устройствах как монокристалл, обладающий уникальными свойствами. Современная микроэлектроника на базе германия и кремния использует практически предельные возможности этих материалов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников с алмазным типом структуры, то именно он рассматривается как материал, на котором может быть достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.

Массированный характер инвестиций в «алмазные» проекты за рубежом привел к впечатляющим результатам, однако эпоха широкого применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники пока еще не наступила. Одной из сдерживающих причин эксперты считают недостаточное качество как природных, так и синтетических алмазов. Уже давно ясно, что, даже лучшие из природных алмазов крайне неоднородны по дефектно-примесному составу и, соответственно, различны по свойствам.

Следовательно, задачи выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза, исследование их реальной структуры и свойств весьма актуальны, поскольку в итоге направлены на получение алмазов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Следует подчеркнуть, что в таких индустриально развитых странах, как США и Япония, исследования и разработки по этому направлению проводятся в рамках крупных национальных программ. Да и у нас в стране ситуация в этой области постепенно улучшается.

О полезных и вредных дефектах… и немного о радуге

Итак, современной науке и технике нужны высококачественные кристаллы алмаза с различными полезными свойствами. Задача непростая, если учитывать наличие дефектов в кристаллах.

Дефектов много, они разные и условно делятся на две группы: «вредные» и «полезные». Например, включения – частички среды кристаллизации, которые кристалл захватил в процессе роста, дислокации – линейные нарушения структуры и планарные дефекты – микродвойники и дефекты упаковки. Это дефекты первой группы. Желательно, чтобы их в кристалле было как можно меньше или не было совсем.

Другая группа – это примесные и собственные дефекты , или дефектно-примесные центры. Это «полезные» дефекты, поскольку именно они определяют многие свойства кристаллов. Важно понять, какие центры отвечают за то или иное свойство, а затем создать в кристалле нужную концентрацию этих центров.

Задача сложнейшая, учитывая, что процесс роста кристаллов алмаза идет при давлении 60 тыс. атм. и температуре 1500 °С. Тем не менее мы уже научились получать кристаллы без включений, минимизировать плотность дислокаций и дефектов упаковки.

Высококачественный кристалл синтетического алмаза желтого цвета. Почему? Такое свойство обеспечивается примесью азота: достаточно 10-20 атомов азота на миллион атомов углерода. Азот «внедряется» из воздуха, который адсорбируется на исходных реактивах, и этого достаточно, чтобы 100 атомов углерода из миллиона были замещены атомами азота, а кристалл приобрел насыщенный желтый цвет. Но ведь природные алмазы бесцветны, хотя содержание примеси азота в них, как правило, на порядок выше, чем в синтетических. И снова вопрос – почему?

Дело в том, что атомы азота могут образовывать в алмазе различные центры и, соответственно, свойства кристаллов будут изменяться, в том числе и их цветовые характеристики. Подробнее о строении многочисленных примесных центров в структуре алмаза можно прочитать в замечательной книге к. ф. -м. н. Е. В. Соболева «Тверже алмаза» (Соболев, 1989). А нам нужно разобраться, в каких условиях образуются те или иные центры, и только тогда можно будет получить кристаллы с заданными свойствами.

Добавим в среду кристаллизации титан, алюминий или цирконий. Это геттеры , они соединятся с азотом, и мы получим бесцветные алмазы. Это будут кристаллы не просто бесцветные, а безазотные. Именно такие кристаллы обладают наивысшей теплопроводностью (до 2000 Вт/ (м К)). Но среди природных алмазов безазотные кристаллы встречаются очень редко и далеко не в каждом месторождении.

Теперь в среду кристаллизации, содержащую геттеры, добавим бор. (В лабораторных условиях бор легко входит в структуру алмаза, когда нет азота.) В зависимости от концентрации бора кристаллы получатся голубого, синего или даже черного цвета. Такой алмаз является полупроводником с p-типом проводимости. В природе они встречаются еще реже, чем безазотные, а в отечественных месторождениях вообще не обнаружены.

Комплексные исследования процессов роста кристаллов алмаза и изучение их реальной структуры и свойств позволяют сегодня не только воспроизвести основные типы кристаллов, существующие в природе, но и получить алмазы с новыми свойствами, аналогов которым в природе не существует.

Например, в плане создания перспективной «алмазной электроники» чрезвычайно актуальна проблема получения кристаллов алмаза, легированных электрически активными примесями. Мы уже говорили о легировании алмаза бором и получении полупроводниковых алмазов с р-типом проводимости. Вместе с тем для применения алмазов в микроэлектронике необходимо решение ряда принципиальных проблем, одной из которых является получение полупроводниковых алмазов с n-типом проводимости.

Примеси фосфора или серы способны, в принципе, образовывать донорные центры в алмазе и давать n-тип . Однако «загнать» их в структуру алмаза очень непросто. Для этого нужно взять в качестве растворителей расплавы фосфора или серы. Кристаллы, полученные в расплаве фосфора, пока очень мелкие – первые сотни микрон. Зато цвет их – фиолетовый! Инфракрасная (ИК)-спектроскопия подтверждает, что фосфор вошел в структуру алмаза. Так что первый шаг сделан и в этом направлении.

Управлять свойствами алмаза можно не только в процессе роста. Так, с помощью тех же аппаратов БАРС в лаборатории разработаны методы термобарической обработки алмазов, направленные на изменение их реальной структуры и физических свойств. Фактически это отжиг при высоком давлении, однако условия такого отжига реализуются при рекордных параметрах – давлении 80 тыс. атмосфер и температуре до 2500 °С. Оказывается, что в таких условиях происходит не только трансформация дефектно-примесной структуры алмаза (например, агрегация одиночных атомов азота в пары и другие более сложные центры), но и аннигиляция более крупных неоднородностей структуры (например, дефектов упаковки).

Берем коричневые кристаллы алмаза, содержащие азот в форме одиночных замещающих атомов (С-центры); подвергаем воздействию нужной температуры и давления. Атомы азота должны образовать пары (А-центры), а алмазы – обесцветиться.Однако после экспериментов кристаллы стали не бесцветными, как ожидалось, а зеленоватыми. На ИК-спектрах действительно наблюдаются структуры, соответствующие А-центрам. Зеленый оттенок – это проявление никель-азотных центров. Алмаз растет из раствора углерода в расплаве железа и никеля. Оказывается, что никель тоже способен встраиваться в структуру алмаза и образовывать различные никель-азотные центры.

Так что отжиг под давлением оказался удачным методом воздействия на алмазы. Это направление успешно развивает к. г. -м. н. А.А. Калинин. Именно после его экспериментов по отжигу и облагораживанию природных алмазов с коричневой окраской многие увлеклись улучшением цветовых характеристик природных алмазов, забывая иногда указать в сертификате, что камень подвергался искусственным воздействиям.

В названии данного раздела речь шла о радуге. Оранжевые, желтые, зеленые, синие и фиолетовые алмазы уже были. Какие еще цвета остались? Красный. Берем исходный кристалл с небольшой концентрацией С-центров, облучаем электронами – создаем вакансионные центры и затем нагреваем до 200 °С. Получаем удивительный цвет … морской волны. Нагреваем тот же кристалл до 1000 °С в защитной атмосфере – получаем пурпурно-красный. Вот теперь в алмазной радуге есть все цвета.

Перспективы применения

В 1980-х гг. исследования по физике алмаза были невероятно популярны. Отдельные лаборатории и даже целые институты занимались алмазными проблемами; проходили регулярные всесоюзные алмазные конференции. Но в стране не было синтезировано кристаллов алмаза крупнее одного миллиметра. Всем нужны были хорошие крупные кристаллы, но уровень развития техники и технологий не позволял их выращивать. Сегодня совсем другая ситуация: через кристалл синтетического алмаза, полученный в нашей лаборатории, можно смотреть на соседний институт и прилегающие к нему территории. Значит, есть все основания для кооперации со специалистами из различных отраслей знаний, чтобы начать работы по применению монокристаллов синтетического алмаза в высокотехнологических сферах науки и техники.

Основные направления проводимых исследований связаны с наиболее перспективными областями науки и техники, где использование алмаза вместо традиционных материалов позволит решить ряд проблем принципиального характера. Потенциальных областей применения у алмаза очень много, ограничимся лишь теми, где уже есть конкретные заделы. Так, из высококачественных кристаллов синтетического алмаза, полученных в нашей лаборатории, изготовлены алмазные наковальни, элементы рентгеновской оптики и детекторов ионизирующих излучений. Все эти изделия прошли успешные испытания в ведущих специализированных научных центрах.

Как там в недрах?

В науках о Земле алмаз рассматривается прежде всего как индикатор сверхглубинных геологических процессов (Добрецов и др., 2001). Во все времена происхождение природных алмазов было загадкой. Да и сегодня этот вопрос остается предметом очень бурных дискуссий, особенно на больших специализированных научных форумах.

Условия образования алмаза в мантии Земли большинство ученых оценивают следующим образом: давление порядка 50-60 тыс. атм., температура примерно 1000-1400 °С. Поэтому, если на вопрос: «Как там в недрах?», – вы ответите, что очень тесно и очень жарко, то, в принципе, не ошибетесь, хотя и сильно приукрасите существующие там условия.

Если по поводу температур и давления, необходимых для образования алмаза, у большинства специалистов нет существенных разногласий, то относительно состава среды кристаллизации и источника углерода ясности нет. Как говорится в таких случаях – вопрос дискуссионный. Подсказку дает сам природный алмаз. Этот сверхпрочный кристалл является уникальным контейнером, захватившим в процессе роста вещество мантии в виде включений. Минеральные включения в алмазах представлены в основном силикатами (гранат, оливин, пироксен) и сульфидами (пирротин, пентландит). Логично предположить, что алмаз кристаллизовался в силикатных или сульфидных расплавах. А может быть, в карбонатах? Ведь карбонаты тоже иногда встречаются в качестве включений в алмазах.

Начиная с работы академика В.С. Соболева (Соболев, 1960), проблема происхождения алмазов в природе обсуждается вместе с проблемой искусственного получения этого минерала. В 70-х гг. прошлого века, когда в лабораторных условиях уже научились создавать высокое давление и температуру (и, более того, умели получать алмазы, используя в качестве растворителей расплавы железа, никеля и кобальта), экспериментаторы решили помочь геологам разобраться в том, как же алмаз образуется в природе.

Классики в области высоких давлений работали аккуратно и честно. Поставили эксперименты в различных по составу расплавах; параметры – температуру, давление и длительность – выбрали такие же, как и в экспериментах с расплавами металлов, где заведомо получался алмаз. Не забыли положить и графит. Надавили, нагрели, проанализировали – нет алмаза! Повторили – опять нет. Проверили разные среды – снова алмаза нет! А что есть? Есть только метастабильный графит, образованный в области термодинамической стабильности алмаза.

Значит, углерод в этих средах при данных условиях растворяется – сказали классики и были абсолютно правы. Но нужно было сделать и следующий шаг: ответить на вопрос, почему так происходит? Экспериментаторы пришли к выводу, что есть две группы растворителей углерода: алмаз-продуцирующие и… (что делать) графит-продуцирующие. Тех, кто занимался технологическими проблемами синтеза алмаза, такое объяснение вполне устроило. А вот геологов – нет. Почему? Да потому, что алмаз в природе находится в основном в кимберлитах (карбонатно-силикатных породах), да и включения в алмазах, как уже отмечалось, состоят преимущественно из силикатов, оксидов и сульфидов.

«Не будем нервничать, – сказали экспериментаторы, – вот вам модель образования алмаза в природе… из расплава железа и никеля. Ведь сами говорили, что где-то там, в ядре Земли есть расплав металлов… и состав подходит, а главное – алмазы образуются». В общем, огорчились и те и другие, и продолжили заниматься каждый своим делом: одни – синтезировать алмазы, другие – искать их в природе. Говоря современным языком, на том этапе «интеграции» не получилось.

Тем не менее успехи были весьма значительные. Одно только открытие микроалмазов в гранатах и цирконах метаморфических пород Кокчетавского массива чего стоит (Sobolev, Shatsky, 1990). Экспериментаторы тоже не сидели сложа руки. Проблемой синтеза алмаза в неметаллических расплавах заинтересовались в Японии. Появились сообщения о кристаллизации алмаза в расплавах карбонатов при давлении 75 тыс. атм. и температуре около 2000 °С.

«Интересно, – сказали геологи, – но Р-Т -параметры (давление-температура) слишком высоки для природных процессов». К проблеме подключились научные коллективы из Англии, США, России (Черноголовка и Новосибирск), однако каждый пошел своим путем.

Учитывая, что одним из важнейших геологических факторов является время, мы снизили параметры и увеличили продолжительность экспериментов до нескольких часов. Алмаза нет. Еще увеличили длительность – и вот он, алмаз! И температура «всего» 1700 °С. «Температура выше, чем в природе», – сказали геологи. Что делать дальше? Добавили воды и еще увеличили длительность. Процесс кристаллизации алмаза пошел активнее. Да и состав в общем-то подходящий – щелочной карбонат, H 2 O и СО 2 (микровключения подобного состава все чаще и чаще стали находить в природных алмазах). Еще снизили давление и температуру, а время увеличили до 100 часов. И снова – алмаз! При давлении 57 тыс. атм. и температуре всего 1150 °С. Ура! Параметры как природные, и даже ниже, чем в металл-углеродных системах. Это был результат, достойный Nature , даже с учетом всех строгостей самого авторитетного в мире научного журнала (Pal’yanov et al. , 1999).

Конечно, в природе все сложнее, чем в лаборатории (Похиленко, 2007). Экспериментальными исследованиями по карбонат-силикатным взаимодействиям нам удалось доказать, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза (Pal’yanov et al. , 2002). В результате в модельных системах удалось создать условия для совместной кристаллизации алмаза и других мантийных минералов, таких как пироп, оливин, пироксен и коэсит (Pal’yanov et al. , 2005).

Наука не стоит на месте. Появляются новые данные о составе микро- и даже нановключений в природных алмазах. В таких включениях были обнаружены не только карбонаты, но также и хлориды и еще масса всякой «экзотики». Возникают новые и новые модели образования алмаза. Нужно детально все проверить и разобраться в механизмах кристаллизации алмаза (Pal’yanov et al. , 2007).

Наша история о том, где растут алмазы подходит к концу, а история применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники только начинается. Да и в геологической науке осталось еще много загадок, связанных с происхождением этих великолепных кристаллов.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001, 2-е изд., 409 с.

Пальянов Ю. Н., Малиновский И. Ю., Борздов Ю. М., Хохряков А. Ф., Чепуров А. И., Годовиков А. А., Соболев Н. В. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №5. С.1221-1224.

Похиленко Н. П. Алмазный путь длиною в три миллиарда лет. // Наука из первых рук. 2007. № 4 (16). С. 28-39.

Соболев Е. В. . Тверже алмаза. Новосибирск: Наука, 1989. 190 с.

Соболев В. С. Условия образования месторождений алмазов // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 7-22.

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. V. 400. 29 July 1999. P. 417-418

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002. V. 87. №7. P. 1009-1013

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Tomilenko A. A., Sobolev N. V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction. Eur. J. Mineralogy. 2005. V. 17. P. 207-214

Palyanov Yu. N., Shatsky V. S., Sobolev N. V., Sokol A. G. The role of mantle ultrapotassic fluids in diamond formation // roc. Nat. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104. P. 9122-9127

Shigley J. E., Fritsch E., Koivula J. I., Sobolev N. V., Malinovsky I. Yu., Pal’yanov Yu. N. The gemological properties of Russian gem-quality synthetic yellow diamonds // Gems & Gemology. 1993. V. 29. P. 228-248

Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks // Nature. 1990. V. 343. P. 742-746

Поскольку все алмазы древности были добыты из россыпей, очень долго оставались непонятными условия образования этих сверкающих камней.

Исключительность свойств алмаза также способствовала образованию вокруг него ореола таинственности.

Во восточным сказаниям "тот, кто носит алмаз, бывает угодным царям, слова его уважаются, сам он зла не боится, не теряет памяти и всегда бывает весел, но если алмаз истолочь в порошок и принять внутрь, то он, подобно яду, причинит смерть. Пристальное созерцание бриллианта разгоняет хандру, снимает с глаз мрачную завесу, делает человека проницательнее и настраивает на веселый лад".

Такие сведения отнюдь не проливали свет на происхождение алмаза.

В конце 18 века ученые доказали углеродную природу алмаза, из чего следовало, что алмаз – родственник печной сажи. Это было достижением науки, но в качестве поискового признака оно не годилось. Поэтому первые коренные месторождения алмазов нашли случайно. Детям, игравшим блестящими камушками, человечество обязано открытием первых алмахных кладовых. Их обнаружили в 1870 году в Южной Африке у местечка Кимберли, откуда все алмазоносные породы всего мира стали называться кимберлитами.

Такими породами заполнены редкие воронкообразные полости в земной коре, называемые также кимберлитовыми трубками, или трубками взрыва.

Согласно первой гипотезе, высказанной на основании изучения трубки Кимберли, алмазы образовались в результате взаимодействия магматического расплава с пластами углей, обломки которых находили среди пород, заполнивших трубку.

Но затем нашли алмазные трубки, которые не содержали угольных обломков. Были также найдены трубки, насыщенные углистым материалом, но совершенно лишенные алмазов.

Сейчас, пожалуй, наиболее распространена следующая гипотеза алмазного синтеза в недрах Земли. При высоких температурах и давлениях в глубинах нашей планеты существует силикатный расплав, из которого образуются горные породы.

Несколько сот миллионов лет назад отдельные, достаточно редкие (около 1000 на всю Землю) капли этого расплава оказались нагреты сильнее других и потому поплыли вверх. Они всплывали в разных местах, но больше всего их собралось в тех районах, которые теперь заняты южной оконечностью Африки и Сибирской платформой.

Почему так произошло, ученые еще не выяснили полностью.

Предполагают, что раньше наша планета имела один праматерик Пангею, в котором Африка и Сибирь были соседями. Пангея затем раскололась на Лавразию и Гондвану, а из них образовались современные материки. В результате дрейфа континентов Африка и Сибирь разошлись по поверхности планеты на многие тысячи километров. Капли попадали в окружение более холодных слоев магматического расплава, и на их поверхности начинали кристаллизовываться силикатные минералы, в результате капли оказывались в оболочке, а учитывая их достаточно солидные размеры, можно сказать, что в камере.

Особенностью химического состава капель было присутсвие так называемых "летучих компонентов" – воды, углекислоты и других газов, поэтому нет ничего удивительного в том, что-таки запечатывавшиеся капли могли взрываться. Взрыв прошивал земную кору, образуя трубку с небольшим расширением вверху, при этом кимберлитовый расплав, насыщенный летучими компонентами, вскипал, подобно шампанскому, в только что открытой бутылке. Происходило резкое охлаждение, и кимберлитовая лава кристаллизовывалась в виде одноименной породы, а летучие продолжали подниматься вверх, поэтому территория в окрестностях кимберлитовых трубок выглядела наподобие современной Долины гейзеров, где в клубах пара бурлят потоки горячей воды.

Внешние проявления этой экзотики сейчас отсутствууют, а вот струи из углекислоты, метана, азота и водорода геологи постоянно встречают в кимберлитовых трубках. Иногда такое дыхание земных недр бывает весьма ощутимым.

Однажды при бурении скважины на одной из кимберлитовых трубок неожиданно ударил газовый фонтан из метана и водорода и горел ярким факелом несколько дней.

Природу газов в кимберлитах удалось установить с помощью изотопного анализа углерода. Оказалось, что углерод из углекислоты и метана – тяжелый, т. е. имеет изотопный состав углерода такой же, как и в глубине Земли, в мантии. Отсюда ясен источник углерода самих алмазов – они действительно образуются в самом пекле.

Существуют и другие предположения, объясняющие происхождение алмазов.

Среди них отсутствует одно – абсолютно верное, которое помогло бы налалить промышленный синтез ювелирных алмазов.

Объяснить, как образуются алмазы в кимберлитах, оказалось значительно труднее, чем освоить их промышленное производство. В начале 50-х годов 20 века с этой задачей как будто бы справились. В 1970 году промышленные предприятия США израсходовали 3,5 тонны искусственных алмазов. Но, несмотря на постоянный рост производства синтетических алмазов, добыча природных алмазов не только не сокращается, но и имеет тенденцию к расширению . Искусственные алмазы, к сожалению, обычно довольно низкого качества, поэтому используются только в технических целях. Да и стоимость их достаточно высока.

Мастерство природы при изготовлении алмазных кристаллов осталось непревзойденным.

Больше всего сведений о химическом составе внутренних зон Земли дает изучение не земных пород, а метеоритов, которые как считают ученые, являются основным строительным материалом Солнечной системы. Еще одним каналом информации о составе земных недр стали включения ультраосновных (бедных кремнекислотой) горных пород в кимберлитах, что само по себе подтверждает метеоритную гипотезу происхождения Земли.

Прежде чем стать кимберлитом, глубинный магматический расплав проходит, точнее проплывает, долгий путь из недр к поверхности. Вместе с алмазами кимберлитовая магма приносит образцы глубинных горных пород, из которых состоит земная мантия. Геологи называют такие образцы кимберлитовыми включениями и оказывают им исключительное внимание, так как эти породы доставлены на поверхность с глубины в несколько сот километров.

перидотит

Изучение химического и минерального состава алмазных спутников-пришельцев из мантии дает очень ценную информацию о глубоких зонах нашей планеты.

Большинство ультраосновных включений в кимберлитах состоит из горной породы – перидотита, образованного двумя минералами – оливином и пироксеном. Это говорит в пользу предположения ученых о том, что земная мантия состоит в основном из перидотита.

Кроме минералов ультраосновных пород в кимберлитах находят более редкие минералы, например, одну из модификаций кварца – коэсит. В то же время другую модификацию кварца – стишовит, образующийся при более высоком давлении, в кимберлитах никогда не обнаруживали.

На основании этих сведений ученые сумели рассчитать максимальную глубину образования алмазоносных пород. Ее указала точка пересечения кривой инверсии коэсит – стишовит и континентальной геотермы, которая представляет собой зависимость температуры от глубины. Получилось, что максимальная глубина образования кимберлитов 300 км, на такой глубине господствует давление 100 килобар.

Максимальную глубину образования кимберлитов подсказали алмазы. Пересечение инверсионной кривой алмаз – графит с континентальной геотермой дает давление около 35 килобар и температуру 800 градусов, что соответствует глубине 105 км.

Условия кристаллизации алмаза таковы, что при понижении давления необходимо увеличение температуры. Следовательно, присутствие алмаза в кимберлите служит доказательством образования алмазной породы на глубине более 100 км.

Ультраосновные включения в кимберлитах – еще одно свидетельство исключительности условий, при которых возникают алмазы.

Кимберлиты – породы вулканические, таких пород на Земле великое множество, и происхождение их связано с глубинным веществом мантии. Однако ультраосновные включения – почти полная монополия кимберлитов.