С тех самых пор, как алмазы были впервые обнаружены в Южной Африке, они проникли в нашу культуру, став символами любви, статуса и богатства. Культ алмазов поддерживался изобретательными маркетинговыми кампаниями De Beers и знаменитым слоганом «Бриллианты навсегда».

А вы когда-нибудь задумывались, откуда берутся бриллианты? Несмотря на то значение, которое они имеют в нашей культуре, большинство людей на самом деле мало знают о драгоценных камнях. В этой статье мы рассмотрим различные способы образования алмазов в природе и их изготовления с использованием современных технологий.

Как алмазы образуются в мантии Земли

Алмазы сделаны из углерода, то есть из того же материала, что и карандашный стержень (графит). Тем не менее, они являются самым твердым веществом, когда-либо известным человечеству, и обладают значительно отличающимися от графита свойствами.

Уникальные свойства алмазу придаёт ковалентная связь между его атомами. Видите ли, когда алмазы образуются при экстремальных температурах и давлении, атомы в их кристаллической решетке становятся тетраэдрически связанными (каждый атом углерода связан с 3 другими атомами углерода), что создает прочную и стабильную структуру.

Трехмерная молекулярная структура алмаза
Трехмерная молекулярная структура алмаза

После многолетних исследований геологи и ученые стали понимать процессы образования алмазов в природе намного лучше. Считается, что подходящие условия для создания алмазов — это высокие температуры от 900 до 1300°С в сочетании с чрезвычайно высоким давлением от 650 до 850 тысяч фунтов на квадратный дюйм.

В природе лишь определённые места обеспечивают подобные условия, и все они находятся глубоко под земной корой. Фактически, большинство алмазов образуется внутри мантии Земли под частями континентальной коры, которые называются древними платформами, или кратонами.

Они обеспечивают стабильную среду, которая позволяет кристаллам алмаза расти в течение миллионов лет, прежде чем они попадут на поверхность через кимберлитовые трубки. Это не случайность, что древние платформы входят в состав континентов Африки и Австралии, которые также являются крупнейшими производителями алмазов ювелирного качества в мире.

Среди естественных процессов – это единственный метод, который позволяет получать достаточно большие алмазы для ювелирных украшений, так как он предоставляет достаточно времени для развития крупных монокристаллических камней с превосходной чистотой и прозрачностью.

Формирование алмазов в зонах субдукции

При столкновении тектонических плит огромная масса земли одной из этих плит вытесняется под другую, в область, которая называется зоной субдукции. Если одна из этих плит содержит камни и материалы с высоким содержанием углерода, то они плавятся при высокой температуре и давлении, образуя алмазы.

Интересно, что алмазы, образующиеся в результате этого процесса, обычно имеют небольшой размер (от 1 до 80 мкм) и непригодны для коммерческого использования. Некоторые из них возвращаются на поверхность из-за движений плит, в то время как другие могут лежать на месте миллионы лет, пока их не выкинет на поверхность во время извержения вулканов.

Алмазы созданные падением астероида

Еще один способ создания алмазов – падение астероида из космоса. Когда астероид попадает на поверхность Земли, эпическое столкновение создает мощный взрыв тепла и давления на землю. Углеродные отложения в ударном кратере могут мгновенно превратиться в крошечные алмазы.

Кратер Попигай — метеоритный кратер в Сибири.

Кратер Попигай в России – это место, куда миллионы лет назад ударил большой астероид. А огромное давление и температура, вызванные ударом, превратили окружающие метаморфические породы и графит в алмазы (размером менее 2 мм).

Алмазы метеоритного происхождения

Фрагменты метеорита Мельница Саттера
Фрагменты метеорита Мельница Саттера в котором ученые нашли алмазы.

Помимо создания впечатляющего вида на ночном небе, метеориты интересны также тем, что после удара о поверхность нашей планеты их содержимое оказывается на земле. Исследователи из НАСА обнаружили большие объемы наноалмазов в метеоритах, которые произошли из глубокого космоса.

В апреле 2018 года National Geographic даже сообщил, что некоторые из этих алмазоносных метеоритов могут быть остатками космических пород древнейших планет.

Создание бриллиантов в лаборатории

Синтетические алмазы
Синтетические алмазы

Первый научный прорыв в области создания искусственных алмазов произошел в 1954 году, когда компания General Electric разработала процесс, который успешно воспроизвел условия образования природных алмазов.

Этот процесс называется High Pressure High Temperature (HPHT), он возможен благодаря сочетанию высокой температуры и высокого давления и включает использование затравочных кристаллов, которые выращиваются в перегретых наковальнях.

HPHT – это энергоемкий процесс с относительно низкой производительностью (затравочный кристалл обычно растет со скоростью несколько микрон в час). Во время процесса параметры должны строго контролироваться, иначе это может привести к сбою роста алмаза или к тому, что поверхность кристалла станет шероховатой.

Химическое осаждение из газовой фазы

Химическое осаждение из газовой фазы
Химическое осаждение из газовой фазы

Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD) – это еще один метод изготовления синтетических алмазов в промышленных масштабах. В этом процессе алмазы выращиваются в смеси углеводородных газов в контролируемой среде.

Углеводородный газ (обычно метан, CH4) нагревается до повышенных температур и распадается на атомное состояние. Затем атомы углерода осаждаются на затравочных кристаллах, и необработанный алмаз выращивается слой за слоем.

По сравнению с HPHT, метод CVD относительно прост и позволяет выращивать синтетические алмазы на поверхностях с большой площадью. По сравнению с HPHT, метод CVD не требует создания настолько высокой температуры и давления, а также позволяет достичь более высоких скоростей роста кристаллов.

Источник