- синтетичні алмази
- Зображення синтетичних алмазів, отримане на растровому електронному мікроскопі
- огранювання алмазів
Алмаз (від араб. ألماس, 'almās, тур. Elmas, яке йде через араб. З др.-греч.ἀδάμας - «незламний») - мінерал, кубічна аллотропная форма вуглецю. При нормальних умовах метастабілен і може існувати необмежено довго, перетворюючись в стабільний в цих умовах графіт тільки при нагріванні.
алмаз
Алмаз в материнській породі
Формула
C
сингония
кубічна
колір
Безбарвний, жовтий, коричневий, іноді зелений, синій, червоний, чорний
колір риси
Відсутнє
блиск
Алмазний
прозорість
прозорий
твердість
10
Спайність
Зроблена за {111}
злам
Раковистий до заїдливий
щільність
3,47-4,55 г / см³
Показник заломлення
2,417-2,419
структура
Сингонія кубічна, кристалічна решітка - кубічна гранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, просторова група Fd3m (по Герману - Моген). Атоми вуглецю в алмазі знаходяться в стані sp³-гібридизації. Кожен атом вуглецю в структурі алмазу розташований в центрі тетраедра, вершинами якого служать чотири найближчих атома. Саме міцний зв'язок атомів вуглецю пояснює високу твердість алмазу.
Фізико-механічні властивості
Головні відмінні риси алмазу - найвища серед мінералів твердість, найбільш висока теплопровідність серед всіх твердих тіл, великі показник заломлення і дисперсія. Алмаз є діелектриком. У алмазу дуже низький коефіцієнт тертя по металу на повітрі - всього 0,1, що пов'язано з освітою на поверхні кристала тонких плівок адсорбованого газу, що грають роль своєрідного мастила. Коли такі плівки не утворюються, коефіцієнт тертя зростає і досягає 0,5-0,55. Висока твердість обумовлює виняткову зносостійкість алмазу на стирання. Для алмазу також характерні найвищий (в порівнянні з іншими відомими матеріалами) модуль пружності і найнижчий коефіцієнт стиснення. Енергія кристала складає 105 Дж / г-ат, енергія зв'язку 700 Дж / г-ат - менше 1% від енергії кристала.
Температура плавлення алмазу становить 3700-4000 ° C. На повітрі алмаз згорає при 850-1000 ° C, а в струмені чистого кисню горить слабо-блакитним полум'ям при 720-800 ° C, повністю перетворюючись в кінцевому рахунку в вуглекислий газ. При нагріванні до 2000 ° C без доступу повітря алмаз переходить в графіт за 15-30 хвилин [1]. Середній показник заломлення безбарвних кристалів алмазу в жовтому кольорі дорівнює приблизно 2,417, а для різних кольорів спектра він варіюється від 2,402 (для червоного) до 2,465 (для фіолетового). Здатність кристалів розкладати біле світло на окремі складові називається дисперсією. Для алмазу дисперсія дорівнює 0,063.
Одним з важливих властивостей алмазів є люмінесценція. Під дією сонячного світла і особливо катодних, ультрафіолетових і рентгенівських променів алмази починають люминесцировать - світитися різними кольорами. Під дією катодного і рентгенівського випромінювання світяться всі різновиди алмазів, а під дією ультрафіолетового - тільки деякі. Рентгенолюмінесценція широко застосовується на практиці для вилучення алмазів з породи.
Великий показник заломлення, разом з високою прозорістю і достатньою дисперсією показника заломлення (гра кольору) робить алмаз одним з найдорожчих дорогоцінних каменів (поряд з смарагдом і рубіном, які змагаються з алмазом за ціною). Алмаз в природному вигляді не вважається гарним. Красу надає алмазу ограновування, що створює умови для багаторазових внутрішніх відображень. Огранований алмаз називається діамантом.
Знаходження алмазів в природі
Алмаз - рідкісний, але разом з тим досить широко поширений мінерал. Промислові родовища алмазів відомі на всіх континентах, окрім Антарктиди. Відомо кілька видів родовищ алмазів. Уже кілька тисяч років тому алмази в промислових масштабах добувалися з розсипних родовищ. Тільки до кінця XIX століття, коли вперше були відкриті алмазоносних кімберлітові трубки, стало ясно, що алмази не утворюються в річкових відкладеннях.
Про походження і вік алмазів досі немає точних наукових даних. Вчені дотримуються різних гіпотез - магматичної, мантійної, метеоритної, флюидной, є навіть кілька екзотичних теорій. Більшість схиляються до магматичної і мантійної теоріям, до того, що атоми вуглецю під великим тиском (як правило, 50000 атмосфер) і на великий (приблизно 200 км) глибині формують кубічну кристалічну решітку - власне алмаз. Камені виносяться на поверхню вулканічної магмою під час формування так званих «трубок вибуху».
Вік алмазів, за даними деяких досліджень, може бути від 100 мільйонів до 2,5 мільярдів років.
Відомі метеоритні алмази, позаземного, можливо - досолнечного, походження. Алмази також утворюються при ударному метаморфізмі при падінні великих метеоритів, наприклад, в Попигайського астроблема на півночі Сибіру.
Крім цього, алмази були знайдені в кровлевих породах в асоціаціях метаморфізму надвисоких тисків, наприклад в Кумдикульском родовищі алмазів на Кокчетавская масиві в Казахстані.
І Імпактний, і метаморфічні алмази іноді утворюють дуже масштабні родовища, з великими запасами і високою концентрацією. Але в цих типах родовищ алмази крейда настільки, що не мають промислової цінності.
Промислові родовища алмазів пов'язані з кімберлітових і лампроїтові трубками, приуроченим до стародавніх КРАТОН. Основні родовища цього типу відомі в Африці, Росії, Австралії та Канаді.
Згідно з матеріалами Кімберлійського процесу, світовий видобуток алмазів у вартісному вираженні в 2008 році склав $ 12,732 млрд. (Зросла на 6,7% в порівнянні з попереднім роком).
За оцінкою компанії «Де Бірс», в 2004 році видобуток алмазів (у вартісному вираженні) в країнах-лідерах склала:
Ботсвана - 2,9 млрд дол .;
Росія - 2 млрд дол .;
Канада - 1,4 млрд дол .;
ПАР - 1,3 млрд дол .;
Ангола - 1,2 млрд дол .;
Намібія - 0,7 млрд дол.
Історія видобутку алмазів в Росії
У Росії перший алмаз був знайдений 4 липня 1829 року на Уралі в Пермській губернії на Хрестовоздвиженському золотій копальні чотирнадцятирічним кріпаком Павлом Поповим, який знайшов кристал, промиваючи золото. За полукаратний кристал Павло отримав волю. Павло привів вчених, учасників експедиції німецького вченого Олександра Гумбольдта, на те місце, де він знайшов перший алмаз (зараз це місце називається Алмазний ключик (за однойменним джерела) і розташоване приблизно в 1 км від сел. Промислу недалеко від старої автомобільної дороги, що зв'язує селища промислу і Тепла Гора Гірничозаводського району Пермського краю), і там було знайдено ще два невеликих кристала. За 28 років подальших пошуків був знайдений тільки 131 алмаз загальною вагою в 60 карат.
Перший алмаз в Сибіру був знайдений неподалік від міста Енисейска в листопаді 1897 на річці Млинській. Розмір алмазу становив 2/3 карата. Через малого розміру виявленого алмазу, і брак фінансування розвідка алмазів не велась. Наступний алмаз був виявлений в Сибіру в 1948 році.
Пошук алмазів в Росії вівся майже півтора століття, і тільки в середині 50-х років були відкриті багатющі корінні родовища алмазів в Якутії. 21 серпня 1954 року геолог Лариса Попугаева відкрила першу кімберлітові трубку за межами Південної Африки [2]. Її назва була символічно - «Зірниця». Наступною стала трубка «Світ», що теж було символічно після Великої Вітчизняної війни. Була відкрита трубка «Вдала». Такі відкриття послужили початком промислового видобутку алмазів на території СРСР. На даний момент левова частка видобутих в Росії алмазів припадає на якутські горнообрабативающіе комбінати. Крім того, великі родовища алмазів знаходяться на території Красновишерском району Пермського краю, і в Архангельській області: Ломоносовское родовище на території Приморського району і родовище Верхотіна (ім. В.Гриба) на території Мезенского району.
синтетичні алмази
Зображення синтетичних алмазів, отримане на растровому електронному мікроскопі
Передумови і перші спроби
У 1694 році італійські вчені Дж. Аверані і К.-А. Тарджоні при спробі сплавити кілька дрібних алмазів в один великий виявили, що при сильному нагріванні алмаз згорає, як вугілля. У 1772 році Антуан Лавуазьє встановив, що при згорянні алмазу утворюється діоксид вуглецю [3]. У 1814 році Гемфрі Деві і Майкл Фарадей остаточно довели, що алмаз є хімічним родичем вугілля і графіту.
Відкриття наштовхнуло вчених на думку про можливість штучного створення алмазу. Перша спроба синтезу алмаза була зроблена в 1823 році засновником Харківського університету Василем Каразіним, який при сухій перегонці деревини при сильному нагріванні отримав тверді кристали невідомої речовини. У 1893 році професор К. Д. Хрущов при швидкому охолодженні розплавленого срібла, насиченого вуглецем, також отримав кристали, дряпати скло і корунд. Його досвід був успішно повторений Анрі Муассаном, який замінив срібло на залізо. Пізніше було встановлено, що в цих дослідах синтезовані алмаз, а карбід кремнію (муассаніт), який має дуже близькі до алмазу властивості [4].
У 1879 році шотландський хімік Джеймс Хенней виявив, що при взаємодії лужних металів з органічними сполуками відбувається виділення вуглецю у вигляді лусочок графіту і припустив, що при проведенні подібних реакцій в умовах високого тиску вуглець може кристалізуватися в формі алмазу. Після ряду експериментів, в яких суміш парафіну, кістяного масла і літію тривалий час дотримувалися в запаяній нагрітої до червоного розжарювання сталевій трубі, йому вдалося отримати декілька кристалів, які після незалежного дослідження були визнані алмазами. У науковому світі його відкриття не було визнано, так як вважалося, що алмаз не може утворюватися при таких низьких тисках і температурах [5]. Повторне дослідження зразків Хеннея, проведене в 1943 році із застосуванням рентгенівського аналізу, підтвердило, що отримані кристали є алмазами, однак професор К. Лонсдейл, яка проводила аналіз, знову заявила, що експерименти Хеннея є містифікацією [6].
синтез
Зображення синтетичних алмазів, отримане на растровому електронному мікроскопі
У 1961 році з'явилися перші публікації фірми «DuPont» про реалізацію ідей отримання алмазу шляхом прямого фазового переходу з графіту. Синтез проводився з використанням енергії вибуху [7], або безпосередньо з продуктів вибуху деяких ВВ, з негативним кисневим балансом (роботи Шабаліна), особливо зручний для отримання алмазів тротил. Це найбільш дешевий спосіб отримання алмазів, проте, «вибухові алмази» дуже маленькі і придатні лише для абразивів і напилення.
В даний час існує велике промислове виробництво синтетичних алмазів, яке забезпечує потреби в абразивних матеріалах. Для синтезу використовується кілька способів. Один з них полягає в підготовці високовуглецевого сплаву нікель-марганець і його охолодженні під тиском в формах з твердого сплаву (типу ВК). Викристалізувалися дрібні алмази відокремлюють після розчинення металевої матриці в суміші кислот.
Сучасні способи отримання алмазів використовують [8] газове середовище, що складається з 95% водню і 5% вуглевмі- щуючого газу (пропану, ацетилену), а також високочастотну плазму, сконцентровану на підкладці, де утворюється сам алмаз. Температура газу від 700-850 ° C при тиску в тридцять разів менше атмосферного. Залежно від технології синтезу, швидкість росту алмазів від 7 мкм / год до 3 мкм / хв на підкладці.
застосування
Алмаз вже багато століть є найпопулярнішим і дорогим дорогоцінним каменем. У той час як ціна інших дорогоцінних каменів визначається модою і постійно змінюється, алмаз залишається острівцем стабільності на бурхливому ринку коштовностей. Значною мірою таке стійке положення алмазу обумовлено високою монополізацією цього ринку. Фірма «Де Бірс», на частку якої припадає близько 50% світового видобутку, розробляє родовища Ботсвани, ПАР, Намібії та Танзанії.
До 2000 року на ринку домінувала належить «Де Бірс» Центральна збутова організація (ЦСО), яка скуповувала за довгостроковими угодами алмази як самої «Де Бірс», так і інших їх найбільших виробників - Росії, Австралії, Заїру, Анголи і контролювала тим самим до 80 % світового видобутку. У періоди перевищення пропозиції над попитом ЦСО складували «надлишкові» алмази в запасах, перешкоджаючи тим самим зниження цін.
У 90-і роки XX століття уповільнення споживання ювелірних прикрас з діамантами, що збіглося зі зростанням видобутку алмазів, призвело до значного зростання запасів ЦСО. Не маючи можливості фінансувати постійне зростання запасів, ЦСО пішла на неодноразові зниження цін, що викликало відмову від торгівлі з нею цілої низки алмазодобивающих фірм. У 1996 р від довгострокових угод з Де Бірс відмовилася Австралія. В даний час торгівлю з Де Бірс за довгостроковими угодами продовжує тільки Росія.
У 2000 р Де Бірс оголосила про перехід до нової ринкової стратегії, так званого «пріоритетного постачальника». Компанія відмовилася від регулювання ринкових цін на алмази. Це ознаменувало кінець фактично діяв картелю на світовому ринку алмазів. В даний час ціни на природні необроблені алмази формуються під впливом ринкових сил, що призвело до їх коливань. Значне падіння цін на алмази, на величину порядку 30-40%, відбулося в 2005-2006 р через локального перевищення пропозиції над попитом. Разом з тим, потужності діючих родовищ, ступінь їх вироблення, і очікуваний введення в експлуатацію нових рудників дозволяють припустити, що в середньо- і довгостроковій перспективі на світовому ринку буде спостерігатися стійке перевищення попиту над пропозицією, що створює передумови для зростання цін на алмази.
Виняткова твердість алмазу знаходить своє застосування в промисловості: його використовують для виготовлення ножів, свердел, різців і тому подібних виробів. Потреба в алмазі для промислового застосування змушує розширювати виробництво штучних алмазів. Останнім часом проблема вирішується за рахунок кластерного і іонно-плазмового напилення алмазних плівок на ріжучі поверхні. Алмазний порошок (як відхід при обробці природного алмазу, так і отриманий штучно) використовується як абразив для виготовлення ріжучих і точильних дисків, кіл і т. Д.
Вкрай перспективним є розвиток мікроелектроніки на алмазних підкладках. Вже є готові вироби, що володіють високою термо- і радіаційною стійкістю. Також перспективним є використання алмазу, як активного елементу мікроелектроніки, особливо в потужнострумової і високовольтної електроніці через велику величини пробивної напруги і високої теплопровідності. При виготовленні напівпровідникових приладів на основі алмазу використовуються, як правило, допированного плівки алмазу. Так, допирований бором алмаз має p-тип провідності, фосфором - n-тип. Через великий ширини зони алмазні світлодіоди працюють в ультрафіолетовій області спектра [9]. У 2004 році в ІФВД РАН вперше синтезували алмаз [10], що має надпровідний перехід при температурі 2-5К (залежить від ступеня легування). Отриманий алмаз був сильнолегованих бором полікристалічний зразок, пізніше в Японії отримали алмазні плівки, що переходять в надпровідний стан при температурах 4-12К [11]. Поки надпровідність алмазу представляють інтерес лише з наукової точки зору.
Однак переважна частина (за вартістю) природних алмазів використовується для виробництва діамантів.
огранювання алмазів
Види ограновування алмазів
Основними типами ограновування є: кругла (зі стандартним числом 57 граней) і фантазійні, до яких відносяться такі види ограновування як «овальна», «груша» (одна сторона овалу - гострий кут), «маркіза» ( «овал з двома гострими кутами» , в плані схожий на стилізоване зображення ока), «принцеса», «радіант» та ін.
Форма ограновування діаманта залежить від форми вихідного кристала алмаза. Щоб отримати діамант максимальною вартістю, огранщики намагаються звести до мінімуму втрати алмаза при обробці. Залежно від форми кристала алмаза, при його обробці втрачається від 55% до 70% ваги. Пропорційно цьому збільшується ціна (але не вартість!) Діаманта. Так з алмазу вагою 1 карат, вартістю 100 дол. І ціною 100 дол. За 1 карат при 50% «виходу придатного» буде отримано діамант вагою 0,5 карата, тієї ж вартістю 100 дол. (Враховуючи тільки витрати на сировину, без інших витрат), але ціною 200 дол. за 1 карат.
Стосовно до технології обробки, алмази можна умовно розділити на три великі групи: - «соублз» (як правило кристали правильної октаедричної форми, які спочатку повинні бути розпиляні на дві частини, при цьому виходять заготовки для виробництва двох діамантів); - «мейкблз» (кристали неправильної або округлої форми, піддаються огранювання «одним шматком»); - «кліваж» (містять тріщину і перед подальшою обробкою спочатку розколюються).
Основними центрами ограновування діамантів є: Індія, що спеціалізується переважно на дрібних діамантах масою до 0,30 карата (річний обсяг ринку 7 млрд дол.); Ізраїль, гранящій діаманти масою більше 0,30 карата (річний обсяг ринку близько 2,5 млрд дол.); Китай, Росія, Україна, Таїланд, Бельгія, США (річний обсяг ринку / крім Китаю / на рівні 0,5-1 млрд дол.), При цьому в США виробляють тільки великі високоякісні діаманти, в Китаї і Таїланді - дрібні, в Росії і Бельгії - середні і великі. Подібна спеціалізація сформувалася в результаті відмінностей в оплаті праці огранщиков.
забарвлення
Кожен кольоровий діамант - абсолютно унікальний витвір природи, майстерно відкрите світу майстерністю ювеліра-огранщика. Забарвлення таких діамантів називають фантазійної - адже тільки в найсміливіших фантазіях можна уявити собі все різноманіття [12] кольору, яке дарує природа королям дорогоцінних каменів: білий, сірий, жовтий, синій і навіть чорний (Карбонад).
Приклади кольорових діамантів (вага зазначений для вже огранованих каменів)
Зелений Дрезденський - 41 метричний карат
Жовтий алмаз Тіффані - 128,5 карата
Портер Родс (блакитний) - 56,6 карата.
діагностика алмазу
Для того, щоб відрізнити справжній алмаз від його імітації, використовується спеціальний «алмазний щуп», що вимірює теплопровідність досліджуваного каменю. Алмаз має набагато більш високе значення теплопровідності, ніж його замінники. Крім того, використовується хороша змочуваність алмазу жиром: фломастер, заправлений спеціальним чорнилом, залишає на поверхні алмазу суцільну межу, тоді як на поверхні імітації вона розсипається на окремі крапельки [13].