De Beers будет продавать синтетические алмазы: вот как их делают

Aug 04, 2023

Профессор физики материалов Аберистуитского университета

Эндрю Эванс получает финансирование от EPSRC, ЕС (WEFO) и Element Six.

Университет Аберистуита предоставляет финансирование как член The Conversation UK.

Посмотреть всех партнеров

Крупнейшая в мире алмазная компания De Beers недавно объявила, что впервые за свою 130-летнюю историю начнет продавать синтетические алмазы. Искусственные алмазы производятся с 1950-х годов, но De Beers долгое время сопротивлялась выходу на синтетический рынок. Теперь компания считает, что технология достаточно эффективна для производства больших объемов синтетических алмазов качества лучших драгоценных камней. Как именно работает этот процесс?

Алмаз высоко ценится как прозрачный драгоценный камень, который сверкает, как никакой другой. Это также один из самых твердых материалов, он холодный на ощупь. Все эти замечательные свойства зависят от совершенно правильного расположения атомов внутри кристалла алмаза, и все эти атомы совершенно одинаковы – это углерод.

Малейшие недостатки в этом расположении, будь то атом, находящийся не в том месте, отсутствующий атом или принадлежащий другому элементу, могут привести к огромным изменениям в цвете бриллианта. Например, замена одного атома углерода из каждых 10 000 на атом азота сделает прозрачный драгоценный камень коричневым.

Заставить атомы углерода расположиться в этом идеальном кристалле непросто, и это не может произойти естественным образом на поверхности Земли, поскольку здесь углерод предпочитает образовывать кристаллы графита, мягкого черного материала, который мы используем в карандашных грифелях. В этой среде атомы углерода также имеют тенденцию легче прикрепляться к другим атомам, таким как кислород и водород, чем друг к другу. Это означает, что даже изготовление кристаллов чистого графита затруднено.

Природные алмазы добываются глубоко под землей, где очень редко нужные ингредиенты при правильной температуре и давлении собираются вместе, а затем транспортируются на поверхность в течение миллионов лет. Первые искусственные алмазы были изготовлены в лаборатории путем воспроизведения этих условий на огромных машинах, и таким же способом до сих пор изготавливаются небольшие алмазы для промышленных режущих инструментов.

Также можно изготавливать высококачественные искусственные кристаллы алмаза, выращивая слои атомов углерода по одному с помощью метана. Это делается путем отделения водорода от молекул метана в сверхчистых сосудах с использованием горячей плазмы. Весь углерод затем вынужден расти в кристаллы алмаза, а не в один из многих других типов углерода, таких как графит, графен или бакминстерский фуллерен (если, конечно, вы не хотите выращивать комбинации этих очень разных материалов).

Задача состоит в том, чтобы сделать этот процесс, известный как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), экономически эффективным. Теперь De Beers полагает, что достигла этой точки и планирует расширить производство на своем предприятии в Аскоте в Великобритании и на новом алмазном заводе в США.

Контроль чистоты этих кристаллов также открывает новые возможности использования алмазов. Например, можно использовать каждую атомную примесь как крошечный факел, который производит одну частицу света без помех со стороны соседних атомов в кристалле. Это можно использовать для хранения одного бита информации для специального «квантового» компьютера. Примеси бора используются не только для производства ценных темно-синих или черных алмазов, но и для производства алмазов, которые проводят электричество, обеспечивая альтернативу кремнию или металлам в экстремальных условиях, например, в космосе.

Каждый природный алмаз несет в себе подсказки о своей уникальной истории, и его происхождение можно выяснить, исследуя его с помощью новейших инструментов. Искусственные бриллианты также несут эту информацию, и различия в том, как они светятся в ультрафиолетовом свете, регулярно используются для различения натуральных драгоценных камней от синтетических. Таким образом, даже если совершенство бриллианта не может быть подвергнуто сомнению человеческим глазом, его крошечные недостатки всегда присутствуют, чтобы раскрыть их скрытую историю и индивидуальность.