С тех пор, как алмазы были впервые обнаружены в Южной Африке, они вошли в нашу культуру как символы любви, статуса и богатства.
Хотя это можно объяснить наивными маркетинговыми кампаниями De Beers и знаменитым слоганом «Бриллиант навсегда», задумывались ли вы, откуда берутся бриллианты?
Несмотря на то, что они имеют значение для нашей культуры, большинство людей на самом деле мало что знают о драгоценных камнях, которыми украшены украшения, которые мы носим.
В этой статье мы рассмотрим различные способы образования алмазов в природе и способы их получения с использованием современных технологий. Мы также создали полностью анимированную инфографику, чтобы помочь вам визуализировать, что происходит во время различных процессов.
Нажмите здесь, чтобы перейти к анимации
Как алмазы естественным образом образуются на Земле?
Знаете ли вы, что алмазы сделаны из углерода, и это тот же материал, что и грифель карандаша (графит)? Тем не менее, они являются самым твердым веществом, которое когда-либо было известно человечеству, и обладают совершенно другими свойствами, чем графит.
Уникальные свойства алмаза придает ковалентная связь между его атомами.
Видите ли, когда алмазы образуются при экстремальной температуре и давлении, атомы в их кристаллической структуре становятся тетраэдрическими связями (каждый атом углерода соединяется с 3 другими атомами углерода), создавая прочную и стабильную решетку.
Алмазы образуются в мантии Земли
После многих лет исследований геологи и ученые стали лучше понимать, как алмазы образуются в природе. Считается, что подходящие условия для создания алмазов – это повышенные температуры от 900 ° C до 1300 ° C в сочетании с чрезвычайно высоким давлением от 650 000 до 850 000 фунтов на квадратный дюйм.
В природе есть только определенные места, которые обеспечивают такие условия, и которые находятся глубоко под землей.
Фактически, большинство алмазов образуется внутри мантии Земли под частями континентальной коры, называемыми кратонами. Они обеспечивают стабильную среду, которая позволяет кристаллам алмаза расти в течение миллионов лет, прежде чем они попадут на поверхность через кимберлитовые трубки.
И не случайно кратоны встречаются на таких континентах, как Африка и Австралия, которые также являются крупнейшими производителями алмазов ювелирного качества в мире.
Среди естественных процессов это единственный метод, позволяющий производить алмазы, достаточно большие для изготовления ювелирных изделий, поскольку для проявления крупных монокристаллических камней превосходной чистоты и чистоты достаточно времени.
Алмазная формация в зонах субдукции
Когда тектонические плиты сталкиваются, один массивный массив суши выталкивается под другой в область, известную как зона субдукции. Если одна из этих пластин несет на себе горные породы и материалы, богатые углеродом, они плавятся при высокой температуре и давлении, образуя алмазы.
Интересно, что алмазы, образованные этим процессом, обычно имеют небольшой размер (от 1 до 80 мкм) и непригодны для коммерческого использования. Некоторые из них возвращаются на поверхность из-за движения плит, в то время как другие могут оставаться на месте миллионы лет, прежде чем выйдут на поверхность в результате извержений вулканов.
Алмазы, созданные ударами астероидов
Когда астероид ударяется о поверхность Земли, эпическое столкновение вызывает мощный взрыв тепла и давления на землю. Отложения на основе углерода в ударном кратере могут мгновенно превратиться в крошечные алмазы.
Кратер Попигай в России – это место, на которое 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, оставленные падением метеорита
Помимо создания захватывающего зрелища в ночном небе, метеориты также откладывают свое содержимое на землю, когда они ударяются о поверхность Земли. 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 скал от остатков ранних планет, которые никогда не формировались.
Как алмазы производятся в лаборатории человеком?
Первый научный прорыв в области искусственных алмазов произошел в 1954 году, когда компания General Electric разработала процесс, который успешно воспроизводил условия образования природных алмазов.
Этот процесс называется High Pressure High Temperature (HPHT) и включает использование затравочных кристаллов, которые выращиваются на перегретых наковальнях.
Высокое давление, высокая температура (HPHT)
HPHT – это энергоемкий процесс с относительно низкой производительностью (затравочный кристалл обычно растет со скоростью несколько микрон в час). Во время процесса параметры необходимо строго контролировать, иначе это может привести к сбою в росте алмаза или включению необработанного сырья.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) – еще один метод производства 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 до атомарного состояния. Затем атомы углерода осаждаются на затравочные кристаллы, и необработанный алмаз выращивается слой за слоем.
По сравнению с HPHT, метод CVD относительно прост в настройке, и он позволяет выращивать синтетические алмазы на больших площадях одновременно. Помимо более низких температур, метод CVD не требует высоких давлений и обеспечивает более высокие темпы роста, чем HPHT.
Вывод
Итак, вот и все, мы узнали, как алмазы производятся естественным путем и как они создаются в лаборатории. Но это только начало нашего понимания этого удивительного драгоценного камня.
Я уверен, что по мере того, как ученые будут лучше понимать физический мир, они откроют для себя больше способов получения алмазов в природе. Кроме того, по мере того, как инженеры расширяют границы производственных исследований и разработок, я предвижу будущее, в котором синтетические алмазы можно будет производить с меньшими затратами и с большей эффективностью.
Мы действительно живем в захватывающие времена. И я с нетерпением жду грядущих лет, когда алмазы будут использоваться в качестве суперматериала, чтобы продвинуть существующие технологии на новый уровень и обеспечить применение в высокопроизводительных приложениях.
Анимированная инфографика от Beyond4Cs.com
Чтобы помочь вам визуализировать различные процессы формирования, мы создали эту инфографику, чтобы облегчить понимание концепций. Посмотрите это ниже и не стесняйтесь делиться или встраивать эту инфографику на свой веб-сайт, используя приведенный ниже код …
Вставьте эту инфографику на свой сайт (скопируйте код ниже):
Кредиты: Beyond4cs.com
Вставьте эту инфографику на свой сайт (скопируйте код ниже):
Понравилась инфографика и хотите ею поделиться? Не стесняйтесь скопировать и вставить код в поле ниже на свой веб-сайт. Если вам нужен файл изображения с более высоким разрешением, свяжитесь с нами, и я сгенерирую его для вас.
Кредиты: Beyond4cs.com
Ссылки и цитаты
Ульрика Ф.С. Д’Хэненс Дж., Андрей К., Кьяу С.М., Пол Дж. И Вуйи В. (2015). Крупные бесцветные синтетические бриллианты HPHT от New Diamond Technology. Драгоценные камни и геммология, осень 2015, т. 51, No. 3. Получено с //www.gia.edu/gems-gemology/fall-2015-large-colorless-hpht-grown-synthetic-gem-diamond-technology-russia.
Сумия Х., Тода Н., Сато С. (2005) Разработка высококачественных крупногабаритных синтетических кристаллов алмаза. Технический обзор SEI, Vol. 60. С. 10–16.
Бранко Д., Маттиас А., Адольф П., Микко А. и Андрей К. (7 июля 2013 г.). НК преодолевает барьер в 10 каратов – исследованы синтетические алмазы, являющиеся мировыми рекордами. Получено с //gemresearch.ch/ndt-breaking-the-10-carat-barrier-world-record-faceted-and-synthetic-diamonds-investigated/.
Роберт Л. (30 апреля 2013 г.). Синтетические алмазы, выращенные методом CVD, Часть 1: История. Получено с //www.gia.edu/news-research-CVD-grown-part1.
Шигли, Дж. Э. (25 июля 2016 г.). Определение бриллиантов, выращенных в лаборатории. Получено с //www.gia.edu/identifying-lab-grown-diamonds.
Яаков В., Джон М., Грэм Д.П., Джефф М.Н. И Крис Дж. (2015). Сильно засоленные флюиды из погружающейся плиты как источник богатых флюидами алмазов. Том 524, страницы 339–342 (20 августа 2015 г.). Получено с //www.nature.com/articles/nature14857.
Лоусон С.С., Канда Х. (1993) Исследование отжига точечных дефектов никеля в синтетическом алмазе под высоким давлением. Журнал прикладной физики, Vol. 73, No. 8, pp. 3967–3973. Получено с //www.gia.edu/gems-gemology/spring-2004-identification-cvd-synthetic-diamond-martineau.
Другие интересные материалы
Включения льда-VII в алмазах: свидетельство наличия жидкой водной жидкости в глубокой мантии Земли – Science Mag
«Алмазный дождь» падает на Сатурн и Юпитер – BBC
Действительно ли алмаз – супер материал? – Глобальная спецификация
Синтетические алмазы: промышленный сверхматериал – ECN
Новые алмазные нанонити могут стать ключевым материалом для строительства космического лифта – Extreme Tech
Использование алмазов для создания инструментов для открытия лекарств – технологические сети
Алмазы сделаны из переработанного морского дна – журнал Cosmos
