Дата створення сайту: 08/12/2012 Дата поновлення головної сторінки: 15.04.2019 20:39

Щоб зробити алмаз ...

Хто не знайомий з алмазом - цим чемпіоном в світі кристалів? Нас захоплює феєрична гра світла на гранях відшліфованого алмазу (діаманта), вражає його неперевершена твердість. Розмір кристалів зазвичай невеликий (2 - 5 мм), але трапляються і великі зразки. Найбільший з усього видобутого алмазів важив 605 г, або більше 3000 карат (карат - 0,2 г).

Можна додати, що за всіх часів по 1947 р було знайдено 80 т алмазів (підраховано, що в родовищах знаходять 0,2-0,3 карата алмазів на 1 мг породи).
Отже, алмаз - це дорогоцінний камінь. У 1797 р С. Теннант визначив його хімічний склад. Виявилося, що він, так само як і графіт, складається з чистого вуглецю.
Ми знаємо, що деякі хімічні елементи можуть існувати у вигляді двох і більше простих речовин. Так, атоми кисню здатні з'єднуватися по два (газ кисень) і по три (газ озон), фосфор дає двох- і четирехатомние молекули. Це відбувається тому, що атоми утворюють молекули різними способами (аллотропия). У графіті атоми вуглецю з'єднані в шестикутники, які шарами лежать один на одному, причому відстань між шарами одно 3,4 А. В алмазі ті ж атоми вуглецю розташовані в кутах тетраедра, довжина ребра якого дорівнює 1,54 А (рис. 1). Які ж умови необхідні, щоб атоми вуглецю змінили своє розташування і графіт перетворився в алмаз?
Алмази утворюються в товщі Землі при високому тиску і температурах. Там вони кристалізуються, а потім в результаті вивержень порода, в якій вони перебувають, викидається до поверхні Землі. Чи можна цей процес повторити штучно?
Вчені встановили, що якщо нагріти алмаз в середовищі інертного газу до високої температури, він перетвориться в графіт. Температура цього переходу залежить від тиску. Чим вище тиск, тим при більшій температурі стійкий алмаз.
Виявилося, що алмаз стійкий тільки при високому тиску, починаючи від 10 ТОВ атм при кімнатній температурі і до сотень тисяч атмосфер при тисячах градусів.
Багато років винахідники, науковці та просто мисливці до наживи проводили сотні експериментів, намагаючись перетворити графіт в алмаз, але безуспішно.
Тепер нам ясно, в чому справа. Виявилося, що при низьких температурах швидкість переходу графіту в алмаз так мала, що потрібні мільйони років, щоб отримати хоч крихту алмазу. Мабуть, успіху можна було чекати лише при високих температурах. Але при цьому потрібні були і дуже високі тиску.
Тепер, перш ніж продовжити розповідь про алмаз, згадаємо, що таке тиск.
Тиск - це сила, прикладена до одиниці площі. Вага людини, розподілений на площу його підошов, - це тиск. Сила, з якою натискає наперсток, прикладена до площі кінчика голки, - це тиск. Обчислимо його. Припустимо, що діаметр кінчика голки дорівнює 0,01 мм, або 10 ~ 3 см (а це ще тупа .ігла). Тоді площа кінчика дорівнює 0,785 10 ~ 6 см2. Якщо наперсток натискає на голку з силою всього в 1 г, то тиск під кінчиком буде 1275 кг / см2, або 1275 технічних атмосфер. Жало комара ще тонше, ніж голка, і зрозуміло, чому воно легко проколює шкіру.
А що являє собою атмосферний тиск? Це вага повітря, що припадає на одиницю площі. На рівні моря на 1 см2 поверхні тисне сила близько 1 кгс. Звідси і пішло позначення: технічна атмосфера - це 1 кгс / см2. Під водою тиск
зростає на кожні 10 м глибини приблизно на одну атмосферу. У товщі Землі тиск зростає ще швидше. На глибині 150-200 м воно вже сягає десятків тисяч атмосфер, а в центрі Землі - кількох мільйонів.
А взагалі яка межа величини тиску? Нижня межа - це абсолютний вакуум. У просторі, де немає жодної частки речовини, тиск дорівнює нулю. А верхня межа?
Спробуємо уявити собі ящик, стінки якого можуть витримати будь-який тиск. Почнемо нагнітати в нього газ. Молекулам в ящику буде вже. При деякій щільності газ перетвориться в рідину. Якщо продовжувати накачування, кількість молекул в ящику стане ще більше, відстань між ними буде скорочуватися. Молекулам буде все важче рухатися в ящику, зросте в'язкість газу, і при тиску близько двадцяти тисяч атмосфер він затвердіє. Продовжимо стиснення. При тисках в десятки тисяч атмосфер молекули підійдуть так близько один до одного, що це почне заважати електронам рухатися навколо ядер. З'являться зміни в електронних оболонках.
Більше половини хімічних елементів влаштовано так, що на їх внутрішніх електронних орбітах є вільні місця. При подальшому стисненні (до сотень тисяч атмосфер) електрони в таких атомах почнуть рухатися на вільні місця ближче до ядра. При цьому звичайні хімічні властивості елементів настільки змінюються, що можна навіть буде побудувати нову періодичну систему елементів.
При тисках в мільйони і більше атмосфер може виявитися, що електрони зручніше рухатися не навколо окремих ядер, а у вигляді електронного газу біля всіх ядер: речовини переходять в металевий стан.
В даний час вже вміють стискати до дуже високого тиску і гази, і рідини, і тверді тіла. Найвищі тиску досягнуті при стисненні твердих тіл в апаратах, побудованих за принципом молота і ковадла (адже звичайні молот і ковадло залишаються при куванні цілими, а шматок заліза змінює свою форму). З дуже твердого сплаву виготовляють дві ковадла і поміщають їх між плитами потужного гідравлічного преса (рис. 2). Між ковадлами знаходиться тонкий шари досліджуваного речовини.

При стисненні плит в речовині розвивається величезний тиск. Якщо діаметр ковадла дорівнює 1,6 см, то, стиснувши плити з силою 1000 т, можна досягти тиску в 0,5 млн. Атм (згадаємо наперсток і голку).
Використовуючи такий принцип і створили апарати, в яких були вперше отримані алмази (рис. 3). Він складається з багатошарового кільцевого судини. Внутрішній шар зроблений з надтвердого сплаву. На цей шар надіті пояси (бандажі) з твердої сталі, м'якої сталі, міді і пояс, в якому циркулює охолоджуюча вода. Таке чергування матеріалів зменшує небезпеку розльоту осколків, якщо апарат зруйнується. Зверху і знизу апарат закритий багатошаровими кришками. Внутрішні частини кришок - це штампи з надтвердого сплаву. На конусні частини штампів надягають прокладки з пирофиллита (мінерал - алюмосилікат заліза). Він має властивість ставати еластичним при високих температурах і тисках. Всередину кільцевого судини вставляють контейнер з пирофиллита, в якому знаходиться графітовий стрижень і каталізатор. При нагріванні каталізатор плавиться, графіт розчиняється в розплаві і його перебудова в алмаз відбувається легше.
Всі три частини апарату збирають, вставляють в гідравлічний прес і починають збільшувати тиск. Пірофілліт заповнює всі нещільності між штампами і кільцевих посудиною і запобігає падінню тиску.
Щоб нагріти вміст контейнера, через штампи пропускають струм великої потужності. Штампи ізольовані від преса і з'єднані металевими прокладками з графітовим стрижнем в контейнері. Струм, що проходить через цю електричний ланцюг, може нагріти графіт до 3000 °.
Проходять десятки хвилин ... Процес закінчено. Всередині контейнера вже не графіт, а кристалики алмазу. Апарат охолоджують, знижують тиск і з контейнера виймають масу, в якій знаходиться алмаз.
Чому ж алмаз, вийнятий з апарата, не перетворюється знову в графіт? Адже він в звичайних умовах нестійкий? Справа знову в швидкості процесу: він так уповільнений, що ми не можемо його помітити.
Отже, алмаз отримано. Це дрібні кристали, які виросли за лічені хвилини, а не століть, знадобилися для зростання великих кристалів природного алмазу. Їх не можна використовувати для виготовлення прикрас. Але вони дуже потрібні.
Алмаз - найтвердіша речовина. Тому з нього виготовляють різці, свердла, фрези, шліфувальні круги, бурові коронки, фільєри для волочіння дроту і т. Д. Алмазні інструменти обробляють самі тверді сплави з надзвичайною швидкістю і чистотою. Техніка і промисловість дуже потребують алмазах. І зараз налагоджено виробництво штучних алмазів для технічних цілей.
За допомогою високих тисків вдалося створити боразон - кристалічний нітрид бору, по твердості можна порівняти з алмазом і застосовується для обробки надтвердих речовин і сплавів. Штучний кварц, який також отримують під тиском, знайшов застосування в радіотехніці.
Що ж стосується ювелірних алмазів, то прийде і їхній час. Для цього потрібно створити апарати, в яких можна буде підтримувати високий тиск і температури необмежено довго, щоб створити умови для повільного зростання великих кристалів. Але це справа майбутнього.

Д.С. Цікліс

Розміщення фотографій та цитування статей з нашого сайту на інших ресурсах дозволяється за умови вказівки посилання на першоджерело та фотографії.