Dlaczego sztuczne diamenty wkrótce zastąpią prawdziwe. Metody produkcji i właściwości sztucznych diamentów Producenci sztucznych diamentów

Odkąd naukowcy nauczyli się tworzyć sztuczne diamenty, ich produkcja nabrała skali przemysłowej. Status kryształów syntetycznych nie został jeszcze ustalony, ale domy jubilerskie już zaczęły stosować w swoich wyrobach sztuczne diamenty.

Pod koniec XVIII wieku naukowcy odkryli, że jest to jedna z form węgla. Dało to początek licznym próbom odtworzenia kamienia z dostępnych materiałów, takich jak węgiel czy grafit.

Jak powstały sztuczne diamenty?

Od XIX wieku wielu znanych fizyków i chemików ogłaszało pomyślne zakończenie eksperymentów z hodowlą diamentów. To prawda, że ​​żadne z tych stwierdzeń nie zostało udokumentowane.

Dopiero w 1927 r. radziecki fizyk O. Leypunsky dokonał przełomu, obliczając warunki niezbędne dla procesu. Dalsze badania i eksperymenty prowadzono równolegle w ZSRR, USA i Szwajcarii.

HPHT i CVD

Pierwszą działającą instalację do syntezy kryształów stworzył i opatentował Szwed Balthasar Platen. Swojej metody nauczył się od natury.

Naturalne diamenty powstają na głębokości, w gorącym płaszczu skorupy ziemskiej o temperaturze przekraczającej 1000°C i ciśnieniu około 50 000 atmosfer.

Na płycie odtworzono podobne warunki: ogniwo zawierające nikiel, kobalt i żelazo zostało podgrzane i sprasowane za pomocą prasy wielotonowej. W tym przypadku metale pełniły rolę katalizatora, a prasy symulowały ciśnienie tysięcy atmosfer.

Ta metoda została nazwana HPHT (wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe)- wysokie ciśnienie, wysoka temperatura. Metoda jest niedoskonała, ale prosta i niedroga. Dziś wykorzystuje się go do masowej produkcji diamentów przemysłowych i pyłu diamentowego.

W latach 60. XX wieku wynaleziono bardziej zaawansowaną metodę CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej)- chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Istotą technologii jest krystalizacja diamentów z gazu węglowodorowego na podłożu wyhodowanym metodą HPHT. CVD pozwala na tworzenie większych, czystszych kryształów.

Oprócz HPHT i CVD istnieją inne, węższe technologie:

• synteza detonacyjna diamentów- wysokie temperatury i ciśnienia powstają w wyniku detonacji grafitu. W wyniku rozkładu substancji zawierających węgiel powstają nanokryształy;
• ultradźwiękowa synteza nanodiamentów- pozwala na syntezę mikrokryształów z zawiesiny grafitu w cieczy organicznej pod normalnym ciśnieniem i temperaturą pokojową.

Podobieństwa i różnice

Przez długi czas diamenty HPHT i diamenty CVD różniły się od naturalnych wielkością - w sztucznych warunkach nie było możliwości wyhodowania kamienia większego niż karat. Jednak wiele firm nadal pracuje nad wyeliminowaniem tej wady.

Obecnie w sztucznych warunkach uprawia się kamienie o następujących cechach:

Sztuczne diamenty różnią się od naturalnych:

• „sztuczne” mogą zawierać wtrącenia metali pozostałe po produkcji;
• na kolorowych kamieniach widać sektory wzrostu, które pojawiają się w wyniku przyspieszonych procesów krystalizacji;
• Naturalne i sztuczne kryształy świecą inaczej w promieniach UV.

Różnice te można dostrzec jedynie przy pomocy specjalistycznego sprzętu. Dlatego dostawcy i sprzedawcy sztucznych diamentów mają obowiązek umieszczania na metkach produktów informacji o pochodzeniu kryształów.

Cena za karat zależy od właściwości każdego kamienia, ale w każdym przypadku koszt nawet najlepszego syntetycznego diamentu będzie 2 razy niższy niż naturalnego.

Zalety i wady sztucznych diamentów:

GDZIE STOSOWANE SĄ DIAMENTY SYNTETYCZNE

Wysoka technologia

Główne obszary zastosowań sztucznych diamentów to przemysł i zaawansowana technologia:

• narzędzie tnące- sztuczne diamenty należą do najtwardszych substancji;
• przewodniki ciepła- połączenie wysokiej przewodności cieplnej i minimalnej przewodności elektrycznej sprawia, że ​​sztuczny kamień jest niezbędny jako radiator dla laserów i tranzystorów dużej mocy;
• optyka - diamenty naturalne nie nadają się do tych celów, ponieważ mają zbyt wiele wad;

Przemysł jubilerski

Przełom technologiczny podniósł kwestię konieczności kontrolowania przez przedsiębiorstwa jubilerskie i wydobywające diamenty napływu sztucznych kamieni na rynek jubilerski. Teraz wzrost ich sprzedaży jest prawnie ograniczony. Oprócz tego niektóre firmy otwierają własną produkcję sztucznych diamentów jubilerskich.

Dokładnie to zrobił De Beers. Korporacja wydobywająca diamenty przez długi czas odmawiała zaangażowania się w produkcję diamentów. Jednak w 2018 roku utworzyła spółkę zależną Lightbox Jewelry, która rozpoczęła sprzedaż sztucznych kamieni pod własną marką.

JAK NAZYWAJĄ SIĘ SZTUCZNE DIAMENTY?

Zgodnie z panującym stereotypem „sztuczne” to coś jedynie zewnętrznie podobnego do oryginału. Ale imitacja nie zawsze oznacza podróbkę.

Ponieważ współcześnie hodowane diamenty są identyczne z naturalnymi, marketerzy proponują zastąpienie ustalonego terminu „sztuczny diament” sformułowaniem, które dokładniej odzwierciedlałoby naturę pochodzenia tego kamienia:

• "Utworzony";
• „wyhodowane w laboratorium”;
• „stworzone w laboratorium”.

Sztucznie uprawiane „diamenty”

Istnieją inne rodzaje sztucznych kamieni. Mają budowę zbliżoną do diamentów, ale są nieco gorsze pod względem twardości i współczynników załamania światła.

1. W naturze tworzy małe, bezbarwne kryształy o diamentowym połysku – węglik krzemu. Ale naturalny minerał jest niezwykle rzadki. Dlatego też, gdy mówimy o moissanicie, zwykle mówimy o sztucznym karbokorundie. Kamień jest bardzo podobny do diamentu (jego współczynnik załamania światła jest jeszcze wyższy: 2,65 - 2,69), a twardość jest tylko nieznacznie niższa (8,5-9,25 w skali Mohsa). Moissanit jest również wrażliwy na ciepło (zmienia kolor po podgrzaniu powyżej 65°C).
2. Kamień powstaje w wyniku połączenia węgla z innymi składnikami. Jest prawie tak mocny jak diament.
3. . Stworzony przez naukowców z Instytutu Fizycznego Akademii Nauk ZSRR (FIAN), od którego pochodzi nazwa. Cyrkonie służą do imitacji diamentów, z którymi można je łatwo pomylić ze względu na podobny współczynnik załamania światła (2,15-2,25).

W tłumaczeniu na języki obce cyrkon jest często nazywany cyrkonem lub cyrkonem, co nie jest prawdą, ponieważ jest to minerał o różnych właściwościach fizycznych, a cyrkon jest pierwiastkiem chemicznym.

Imitacje diamentów

Osobno istnieją kryształy imitujące jedynie wygląd diamentu. Mają znacznie gorszą wytrzymałość i nie mają diamentowego połysku (współczynnik załamania światła jest mniejszy niż 1,9).

1. Spinel (degussyt). Naturalny spinel jest rzadki i ma szkarłatny kolor. Dlatego do imitacji diamentów stosuje się sztuczne kamienie, którym można nadać dowolny kolor.
2. Kryształ to szkło wysokiej jakości.
3. Kryształy Swarovskiego- małe kamienie o idealnie równych krawędziach i różnych efektach optycznych.
4. Szafir biały to sztuczny, bezbarwny szafir o dużej wytrzymałości.
5. Rutyl - jego współczynnik załamania światła jest nawet wyższy niż diamentu, jednak ze względu na duży efekt dwójłomności tylne krawędzie kryształu są zmętnione.

Odkąd człowiek docenił niesamowite właściwości naturalnych minerałów, niektóre z nich stały się przedmiotami luksusowymi, inne zajęły miejsce w życiu codziennym i rytuałach. Zapotrzebowanie na cenne kamienie naturalne przy niewielkich ilościach wydobycia z wnętrzności ziemi sprawiło, że są one drogie. Dlatego już w poprzednich stuleciach aktywnie rozwijano kwestię tworzenia sztucznych substytutów, które mogłyby zaspokoić popyt. Potężnym motorem rozwoju w tym kierunku była chęć oszustów do sprzedaży tanich podróbek pod przykrywką drogich kamieni.

Początków pragnienia człowieka do tworzenia kamieni odpowiadających tym, które stworzyły siły natury, należy szukać w alchemii. W IV wieku p.n.e. mi. alchemicy poszukiwali magicznych receptur wytwarzania sztucznych klejnotów. Ale na przykład sztuczne perły znaleziono wśród starożytnych znalezisk archeologicznych cywilizacji chińskiej. Prawdziwe wyniki naukowe uzyskano w połowie XIX wieku. Marc Gaudin, chemik z Francji, w 1857 roku pokazał światu pierwszy nienaturalnie powstały kamień – rubin. Następny był sztuczny szmaragd. Następnie coraz pomyślniej zaczęła rozwijać się produkcja kamieni jubilerskich, która już w XX wieku została rozwinięta na pełną skalę produkcyjną.

W ten sposób człowiekowi ukazał się kolejny sekret natury - był w stanie własnymi środkami stworzyć sztuczne minerały. Sztuczne zamienniki kamieni naturalnych pod względem składu są w 100% zbliżone do naturalnych. Dla niespecjalisty prawie niemożliwe jest odróżnienie naturalnego od sztucznego. W niektórych przypadkach profesjonalna opinia może nie wystarczyć bez laboratoryjnej analizy spektralnej.

Mówiąc o różnicach między kamieniami naturalnymi i sztucznymi, zauważamy, że te ostatnie mają strukturę bliższą ideałowi. W naturalnych często występują różne wtrącenia, duże lub mniejsze pęknięcia na powierzchni. Jest to ich normalna właściwość, ale może służyć jedynie jako względny znak naturalnego pochodzenia. Wady takie mogą występować także w klejnotach sztucznych. Ponadto pochmurne obszary i okrągłe pęcherzyki powietrza są charakterystyczne tylko dla sztucznych kamieni.

Pojawienie się dużej liczby sztucznych kamieni na rynku jubilerskim wstrząsnęło ustalonymi cenami. Od pewnego czasu znacznie łatwiej jest kupić nawet prawdziwe rubiny, a cena naturalnych szafirów i szmaragdów spadła. Jednak już niedługo potem jubilerzy nauczyli się rozpoznawać sztuczne kamienie za pomocą sprzętu optycznego. W ten sposób sytuacja ponownie się unormowała.
Dziś prawie wszystkie kamienie szlachetne powstają w laboratoriach. Sztuczne kryształy mineralne są szeroko stosowane w elektronice i innych gałęziach przemysłu. Produkcja sztucznych kamieni może być dziś prowadzona w tonach. Jednak może to jeszcze nie dotyczyć wszystkich minerałów. Nauka musiała najciężej pracować z diamentami.

Historia powstania sztucznego diamentu

Izaak Newton zasugerował, że diament, choć jest najtwardszym minerałem na planecie, ulega spalaniu. Ponieważ wiadomo było, że diament powstaje w wyniku skomplikowanych przekształceń ze znanego nam grafitu, wysunięto hipotezę o możliwości zajścia procesu odwrotnego. Badania eksperymentalne tej hipotezy podjęła Akademia Nauk we Florencji. Stwierdzono więc, że w temperaturze 1100 stopni Celsjusza diament najpierw zamienia się w grafit, a następnie spala.

W latach 30. XX wieku Ovsey Leypunsky w wyniku własnych badań i skomplikowanych obliczeń odkrył warunki, w jakich można hodować sztuczny diament. Zatem ciśnienie powinno wynosić ponad 4,5 GPa, a temperatura powinna wynosić 1227 stopni Celsjusza. W takim przypadku proces musi odbywać się w złożonym środowisku - stopionym metalu. Zaledwie dwie dekady później próba stworzenia sztucznego diamentu została uwieńczona sukcesem. Ale pierwsze diamenty nadawały się tylko do celów technicznych. Tworzenie sztucznych diamentów wymaga poważnych środków technicznych, co czyni proces kosztownym. Stwierdzono, że sztuczne i naturalne diamenty różnią się przypisywanymi im magicznymi właściwościami.

Sztuczne diamenty bliższe są grupie minerałów kwarcowych, jeśli umieścimy obok siebie diament naturalny i sztuczny, ten drugi wyblaknie. Magiczne właściwości sztucznych minerałów są znacznie słabsze, dlatego należy zachować ostrożność przy „wprowadzaniu” kamienia naturalnego do sztucznego. Dopiero po kilku dniach wymiany informacji na odległość przez przegrodę (np. papierową) kamienie będą mogły się ze sobą „dogadać”.

Sztuczne szmaragdy

Kolejną kosztowną przyjemnością są sztuczne szmaragdy. Dziś do ich tworzenia wykorzystuje się kosztowną metodę hydrotermalną. Przez długi czas szmaragdy produkowano wyłącznie w laboratorium Carol Chatman w San Francisco. Dziś kilka firm na świecie stosuje już tę metodę i tworzy sztuczne szmaragdy.

Kruchość sztucznych kamieni jest taka sama jak naturalnych. Jednak w ich strukturze nie ma (lub praktycznie nie ma) pęknięć i innych wad charakterystycznych dla kamieni naturalnych, dlatego laboratoryjne szmaragdy są trwalsze.

Technologia wytwarzania sztucznego szmaragdu jest udoskonalana, ale pozostaje bardzo droga. Dlatego kamienie hydrotermalne są tylko nieznacznie tańsze od naturalnych. Są również odporne na kwasy, ciepło i promieniowanie ultrafioletowe. Kolor sztucznych szmaragdów jest identyczny z naturalnymi.

Perły hodowlane - starożytna technologia

Chińczycy bardzo długo strzegli tajemnicy tworzenia sztucznych pereł. Ale w 1890 roku starożytna technologia w końcu stała się znana Japończykom, którzy wprowadzili produkcję pereł do produkcji przemysłowej.
Starożytna technologia uprawy pereł obejmuje długi proces hodowania masy perłowej wokół małego ziarenka masy perłowej, ręcznie umieszczanego najpierw w kawałku tkanki tłuszczowej jednego mięczaka, a następnie w płaszczu drugiego. Proces uprawy pereł w ten sposób jest żmudny, dlatego udoskonalono technologie i uproszczono procesy. Tak pojawiła się koncepcja uprawy pereł.
Najmniejsza perła hodowlana ma wielkość główki od szpilki, a największa – wielkość gołębiego jaja. Kształt ma szczególne znaczenie: bardzo ceniony jest okrągły, możliwie najbliższy ideałowi. Perły mogą mieć również kształt łezki i przypominać guzik. Koszt pereł hodowlanych, a co za tym idzie produktów z nich wykonanych, jest niższy niż pereł naturalnych, co czyni je bardziej przystępnymi cenowo.

Jeśli chodzi o wszystkie sztuczne klejnoty, należy pamiętać: nie są to podróbki, ale próba człowieka zastąpienia ograniczonych, trudno dostępnych zasobów naturalnych wytworami nauki. Dlatego sztuczne kamienie zajmują osobne i niewątpliwie godne miejsce w świecie biżuterii.

Minerały i minerały zwykle trafiają w głąb ziemi. Ale ludzie mają potrzebę używania różnych minerałów, w tym diamentów. Dlatego wraz z rozwojem technologii rozpoczyna się rozwój i przejście na ekstrakcję sztucznego kamienia. Sztuczne diamenty praktycznie nie różnią się dziś od naturalnych minerałów. Nawet gemologom trudno jest rozróżnić kamienie po wyglądzie, co wskazuje na wysoki stopień podobieństwa.

Sztuczny diament

Cenne właściwości diamentu

Oczywiście nawet rozwój sprzętu i technologii nie spowodował jeszcze całkowitego przejścia z kamieni naturalnych na diamenty syntetyczne. Dotychczas firmy uprawiające diamenty w laboratoriach kierują się zasadą „dwa z trzech”:

• jakość;
• rozmiar;
• rentowność.

W trakcie procesu wybierane są dwa z trzech kryteriów, ale dopóki nie zostanie osiągnięty limit lub ideał, naukowcy mają do czego dążyć.

Większość ludzi widzi w sklepach surowe diamenty już przetworzone jako wypolerowane diamenty. Kamienie są osadzone w metalach szlachetnych i działają jak kosztowna biżuteria.

Skład chemiczny diamentu to węgiel o specjalnej strukturze sieci krystalicznej. Pochodzenie minerałów nie jest dokładnie znane. Istnieje nawet teoria kosmicznego pochodzenia diamentów. Prawdopodobnie dlatego trudno jest całkowicie powtórzyć lub odtworzyć obraz powstawania kamienia w laboratorium.

Pierwsze próby syntezy kamienia rozpoczęto po zbadaniu struktury diamentu - jest on bardzo gęsty, sieć krystaliczna składa się z atomów połączonych kowalencyjnymi wiązaniami sigma. Łatwiej jest zniszczyć te związki, niż je utworzyć.

Pomimo tego, że diament jest biżuterią numer jeden, kamień ma wiele zastosowań poza biżuterią. To właśnie ten czynnik skłonił naukowców do syntezy sztucznych kamieni. Diament ma także unikalne cechy z punktu widzenia chemii i fizyki:

• Najwyższa twardość (10 na 10 w skali Mohsa). Nawet skład stopowy stali nie jest tak twardy jak diament.
• Temperatura topnienia substancji wynosi 800-1000 stopni Celsjusza przy dostępie tlenu i do 4000 stopni Celsjusza bez dostępu tlenu, przy dalszej przemianie diamentu w grafit.
• Diament jest używany jako dielektryk.
• Minerał ma najwyższą przewodność cieplną.
• Kamień posiada luminescencję.
• Minerał nie rozpuszcza się w kwasie.

Wejście na rynek syntetycznych diamentów może nastąpić z dnia na dzień i być zaskoczeniem. Branża diamentowa ulegnie zmianom i wolumeny sprzedaży spadną. Półprzewodniki zaczną być produkowane z kamienia. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia półprzewodniki diamentowe można nagrzewać do wyższych temperatur niż krzem. W temperaturach około 1000 stopni Celsjusza krzem w mikroukładach zaczyna się topić i wyłącza, ale diament nadal działa.

Sztuczny diament jest naprawdę przydatną rzeczą w nauce i produkcji. Wśród naukowców zajmujących się syntezą diamentów dla przemysłu popularne jest powiedzenie: „Jeśli nie możesz nic zrobić z diamentu, zrób z niego diament”.

Metody tworzenia materii

Pierwsze próby uzyskania sztucznego diamentu rozpoczęto pod koniec XVIII wieku, kiedy poznano skład kamienia, jednak technologia nie pozwoliła na odtworzenie temperatury i ciśnienia wymaganego do powstania minerału. Dopiero w latach pięćdziesiątych XX wieku próby syntezy tej substancji zakończyły się sukcesem. Wśród krajów uprawiających diamenty znalazły się USA, Republika Południowej Afryki i Rosja.

Sprzęt do tworzenia sztucznych diamentów

Pierwsze syntetyczne diamenty były dalekie od ideału, ale dziś kamienie te są praktycznie nie do odróżnienia od diamentów naturalnych. Proces uprawy jest pracochłonny i kosztowny materiałowo. Istnieje kilka opcji i form syntezy diamentów:

• Metoda otrzymywania diamentów HPHT. Technika ta jest zbliżona do warunków naturalnych. Dzięki niemu konieczne jest utrzymanie temperatury 1400 stopni Celsjusza i ciśnienia 55 000 atmosfer. Do produkcji wykorzystuje się diamenty siewne, które umieszczone są na warstwie grafitu. Wielkość kamieni nasiennych osiąga średnicę do 0,5 milimetra. Wszystkie komponenty umieszczane są w określonej kolejności w specjalnym urządzeniu przypominającym autoklaw. Najpierw umieszcza się bazę z ziarnem, następnie stop metalu będący katalizatorem, a następnie prasowany grafit. Pod wpływem temperatury i ciśnienia kowalencyjne wiązania pi grafitu przekształcają się w wiązania sigma diamentu. Podczas tego procesu metal topi się, a na ziarnach osadza się grafit. Synteza trwa od 4 do 10 dni, wszystko zależy od wymaganej wielkości kamienia. Pełny potencjał tej techniki nie został ujawniony i nie wszyscy naukowcy ufali tej technologii, dopóki nie zobaczyli, jak powstają duże kryształy o jakości klejnotów. Cięcie powstałych kamieni jest takie samo.
• Synteza diamentów CVD. Skrót oznacza „osadzanie z fazy gazowej”. Drugą nazwą zabiegu jest synteza filmu. Technologia jest starsza i bardziej sprawdzona niż produkcja HPHT. To ona tworzy diamenty przemysłowe, które można wykorzystać nawet na ostrza w mikrochirurgii. Technologia wymaga także podłoża, na którym umieszcza się ziarno diamentu, a to wszystko znajduje się w specjalnych komorach. W takich komorach powstają warunki próżniowe, po czym przestrzeń zostaje wypełniona gazami wodorowymi i metanem. Gazy podgrzewa się za pomocą promieni mikrofalowych do temperatury 3000 stopni Celsjusza, a węgiel zawarty w metanie osadza się na bazie, która pozostaje zimna. Diament syntetyczny powstały przy użyciu tej technologii jest czystszy, pozbawiony zanieczyszczeń azotowych. Ta technika przeraziła większość koncernów wydobywających kamień z natury, ponieważ jest w stanie wytworzyć czysty i duży kryształ. Taki kamień nie będzie miał praktycznie żadnych zanieczyszczeń metalicznych i będzie trudniejszy do odróżnienia od kamienia naturalnego. Diamenty uzyskane tą technologią można wykorzystać w komputerach jako półprzewodnik zamiast płytek krzemowych. Ale w tym celu konieczne jest ulepszenie techniki uprawy, ponieważ wielkość powstałych diamentów jest obecnie ograniczona. Dziś parametry płyt osiągają poziom 1 centymetra, ale za 5 lat planowane jest osiągnięcie poziomu 10 centymetrów. A koszt karata takiej substancji nie przekroczy 5 dolarów.
• Metoda syntezy wybuchowej to jeden z najnowszych pomysłów naukowców, który umożliwia otrzymanie sztucznego diamentu. Technika ta umożliwia otrzymanie sztucznego kamienia poprzez detonację materiałów wybuchowych i późniejsze schłodzenie po eksplozji. Powstałe kryształy są małe, ale metoda jest zbliżona do naturalnego powstawania minerałów.

A ostatnio pojawił się kierunek, który umożliwia tworzenie pamiątkowych diamentów. Ten trend pozwala uwiecznić pamięć o osobie w kamieniu. Aby to zrobić, ciało po śmierci poddaje się kremacji, a z popiołów wytwarza się grafit. Następnie grafit wykorzystuje się w jednej z metod syntezy diamentów. Zatem kamień zawiera pozostałości ludzkiego ciała.

Ponieważ wszystkie metody są drogie, często w biżuterii nie używa się sztucznych substancji, ale podróbek lub innych rodzajów kamienia. Szkło wśród diamentów to najtańsza i przestarzała praktyka. Dziś się to nie udaje, bo z łatwością można odróżnić oryginał od podróbki – wystarczy zarysować kamień lub popatrzeć na grę świateł. Cyrkonie są najczęściej sprzedawane jako diamenty.

Perspektywy rozwoju syntezy diamentów

Przyszłość syntetycznego diamentu zaczyna się dzisiaj. Sztuczny minerał stał się symbolem czasów, a wkrótce ludzie będą mieli dostęp do niedrogich i pięknych produktów. Jednak technologie są wciąż na etapie rozwoju i udoskonalania. Na przykład laboratorium w Moskwie jest w stanie wyhodować do 1 kilograma diamentów rocznie, korzystając z powyższych technologii. To oczywiście nie wystarczy na zaspokojenie potrzeb przemysłu. Dalsza obróbka wydobytych kamieni również wymaga czasu i sprzętu.

Dlatego na razie wydobycie diamentów odbywa się tradycyjnymi metodami i nikt nie odmawia zagospodarowania nowych złóż ani odkrycia rur kimberlitowych. Gdy tylko pojawiła się produkcja sztucznych diamentów, firma De Beers – wirtualny monopolista na rynku diamentów – zaczęła martwić się o swój biznes. Roczne obroty koncernu sięgają nawet 7 miliardów dolarów rocznie. Ale jak dotąd kamienie syntetyczne nie są konkurentami naturalnych diamentów, a ich udział w rynku sięga zaledwie 10%.

A także wraz z syntezą rozwinęła się także gemologia, która pozwala nam opowiedzieć o pochodzeniu kamienia. Diamenty syntetyczne można łatwo odróżnić od naturalnych. Znaki to:

• wtrącenia metali w kamieniach z laboratorium;
• sektory wzrostu oznaczone kolorowymi diamentami;
• inny charakter luminescencji diamentu.

Technologie i wiedza naukowców są udoskonalane z każdym dniem. Proces został uruchomiony i specjaliści nad nim pracują. Już niedługo świat zobaczy rezultaty i być może nawet porzuci tradycyjne wydobywanie diamentów z głębi ziemi.

W dniu 26 maja 2015 roku Międzynarodowy Instytut Gemologiczny (IGI) w Hongkongu wydał certyfikat na niezwykły rekordowy diament o masie 10,02 karata, barwie E i czystości VS1. Takie kamienie szlachetne nie są tak rzadkie w świecie biżuterii, ale wyjątkowość tego przypadku polegała na tym, że kamień nie został wydobyty z wnętrzności ziemi, ale został wycięty z 32-karatowego syntetycznego kryształu diamentu wyhodowanego przez rosyjską firmę New Diamond Technologia (NDT). „To nie jest nasz pierwszy rekord” – mówi dyrektor generalny firmy Nikolai Chikhinashvili. „Poprzedni, 5-karatowy, wytrzymał tylko dwa miesiące”.

Roman Kolyadin, dyrektor produkcji, pokazuje mi mały warsztat w jednym z parków technologicznych niedaleko Sestroretska. Warsztat jest pusty, pod ścianami stoi tylko tuzin pras hydraulicznych. To właśnie jest „depozyt” – wewnątrz pras, w warunkach wysokich temperatur i ciśnień, mikron po mikronie, rosną absolutnie nieskazitelne diamenty. Aktualne parametry są odzwierciedlone na panelach sterujących sterowników każdej prasy, ale Roman prosi o nakręcenie zdjęcia, aby te dane nie dostały się do kadru: „Ogólne zasady syntezy diamentów są dobrze znane i stosowane w przemyśle od ponad pół wieku. Jednak szczegóły dotyczące trybów syntezy stanowią część know-how naszej firmy. Zwracam uwagę na klimatyzatory precyzyjne, które utrzymują mikroklimat w warsztacie z dokładnością do dziesiątych części stopnia. Czy naprawdę potrzebna jest taka precyzja? „Pamiętasz, jak natychmiast zamknęliśmy za sobą drzwi, aby uniknąć przeciągu? – wyjaśnia Roman. — Małe odchylenia w warunkach temperaturowych mogą poważnie wpłynąć na jakość diamentu, i to nie na lepsze. Zawsze dążymy do osiągnięcia doskonałej jakości.”

Proces hodowli monokryształów diamentu w wysokiej temperaturze (ok. 1500°C, z pożądanym gradientem) i wysokim ciśnieniu (50-70 tys. atm.). Prasa hydrauliczna ściska specjalny pojemnik, wewnątrz którego znajduje się stopiony metal (żelazo, nikiel, kobalt itp.) oraz grafit. Jedno lub więcej nasion – małych kryształków diamentu – umieszcza się na podłożu. Przez komorę przepływa prąd elektryczny, podgrzewając stop do żądanej temperatury. W tych warunkach metal służy jako rozpuszczalnik i katalizator krystalizacji węgla na zarodku w postaci diamentu. Proces wyhodowania jednego dużego lub kilku mniejszych kryształów trwa 12-13 dni.

Szpiegowany w naturze

Historia syntetycznych diamentów rozpoczyna się pod koniec XVIII wieku, kiedy naukowcy w końcu zdali sobie sprawę, że ten kamień ma skład węgla. Pod koniec XIX wieku próbowano zamienić tanie wersje węgla (węgla lub grafitu) w twardy i błyszczący diament. Twierdzenia o udanej syntezie wysuwało wielu znanych naukowców, takich jak francuski chemik Henri Moissan czy brytyjski fizyk William Crookes. Później jednak okazało się, że żaden z nich tak naprawdę nie odniósł sukcesu, a pierwsze syntetyczne diamenty uzyskano dopiero w 1954 roku w laboratoriach firmy General Electric.

Tańszy proces osadzania diamentu ze środowiska zjonizowanego gazu węglowodorowego na podłożu podgrzanym do temperatury 600−700°C. Hodowla monokryształów przy użyciu CVD wymaga podłoża z monokrystalicznego diamentu hodowanego przy użyciu HPHT. Po osadzeniu na krzemie lub diamencie polikrystalicznym otrzymuje się płytkę polikrystaliczną, która ma ograniczone zastosowanie w elektronice i optyce. Szybkość wzrostu - od 0,1 do 100 µm/godz. Grubość płytek jest zwykle ograniczona do 2-3 mm, więc wycięte z niej diamenty można wykorzystać jako biżuterię, ale ich wielkość z reguły nie przekracza 1 karata.

Proces syntezy w GE został zainspirowany naturą. Uważa się, że ziemskie diamenty powstają w płaszczu, setki kilometrów pod powierzchnią Ziemi, w wysokich temperaturach (około 1300°C) i wysokim ciśnieniu (około 50 000 atm.), a następnie są wynoszone na powierzchnię przez skały magmowe takie jak jak kimberlity i lamproity. Twórcy firmy GE wykorzystali prasę do sprasowania ogniwa zawierającego grafit i stop żelaza, niklu i kobaltu, który działał jako rozpuszczalnik i katalizator. Proces ten nazwano HPHT (ang. High Pressure High Temperatura – wysokie ciśnienie, wysoka temperatura). To właśnie ta metoda stała się później komercyjna w produkcji niedrogich diamentów przemysłowych i proszków diamentowych (obecnie produkuje się je w miliardach karatów rocznie), a w latach 70. XX wieku za jej pomocą nauczyli się wytwarzać kamienie jubilerskie o masie do 1 karat, choć bardzo przeciętnej jakości.

Dwie główne technologie przemysłowej produkcji diamentów syntetycznych to HPHT i CVD. Istnieje również szereg metod egzotycznych, takich jak synteza nanokryształów diamentu z grafitu podczas eksplozji czy eksperymentalna metoda wytwarzania diamentów o wielkości mikrona z zawiesiny cząstek grafitu w rozpuszczalnikach organicznych pod wpływem kawitacji ultradźwiękowej.

Obejście

Od lat 60. XX wieku na świecie rozwija się kolejna metoda syntezy diamentów – CVD (Chemical Vapor Deposition, osadzanie w fazie gazowej). W nim diamenty osadzane są na podgrzanym podłożu z gazu węglowodorowego, które jest jonizowane za pomocą promieniowania mikrofalowego lub podgrzewane do wysokiej temperatury. To właśnie w tej metodzie syntezy na początku XXI wieku zarówno małe start-upy, jak i duże firmy, takie jak Element Six, część grupy De Beers, zaczęły wiązać z tą metodą duże nadzieje.

Do niedawna metoda HPHT była mocno niedoceniana. „Kiedy kilka lat temu kupowaliśmy sprzęt, wszyscy jednomyślnie powiedziano nam, że prasy przemysłowe nadają się jedynie do syntezy proszków diamentowych” – mówi Nikołaj Chichinashwili. Wszystkie środki przeznaczono na rozwój CVD, a technologię HPHT uznano za niszową, nikt ze specjalistów nie wierzył, że można ją wykorzystać do wyhodowania wystarczająco dużych kryształów. Jednak według Nikołaja specjalistom firmy udało się opracować własną technologię syntezy, która dosłownie wywołała w przemyśle efekt eksplozji bomby. Kilka lat temu w raporcie jednego z laboratoriów gemologicznych napisano: „Waga tego diamentu wynosi 2,30 karata! Do niedawna taka wielkość diamentu była gwarancją jego naturalnego pochodzenia.”

Cięcie diamentów w celu uzyskania błyszczących diamentów to długi proces i niezbyt imponujący dla niewtajemniczonych. Zarówno diamenty hodowane, jak i naturalne są przetwarzane w dokładnie ten sam sposób.

Najlepsze przyjaciółki dziewcząt

„Oczywiście nie jesteśmy jedynymi, którzy hodują diamenty większe niż 5–6 karatów” – wyjaśnia Nikołaj. „Ale cała reszta kieruje się zasadą „dwa z trzech”: duży, wysokiej jakości, opłacalny komercyjnie. Jako pierwsi nauczyliśmy się, jak uzyskać duże, wysokiej jakości kryształy diamentu w przystępnej cenie. Przy 32 prasach jesteśmy w stanie wyprodukować około 3000 karatów miesięcznie, a są to kamienie bardzo wysokiej jakości - diamenty o barwie D, E, F i czystości od najczystszego IF do SI, głównie typu II. 80% naszych produktów to diamenty jubilerskie o masie od 0,5 do 1,5 karata, chociaż możemy wyhodować diamenty dowolnej wielkości na zamówienie. Na dowód Nikołaj wręcza mi kryształ wielkości 10 rubli: „To jest na przykład 28 karatów. Jeśli go otniesz, otrzymasz 15-karatowy diament.

Na początku XXI wieku światowy monopolista diamentów, firma De Beers, był bardzo zaniepokojony zbliżającym się wejściem syntetycznych diamentów na rynek jubilerski, obawiając się, że może to zagrozić jego działalności. Czas jednak pokazał, że nie ma się czego bać – syntetyczne diamenty zajmują bardzo niewielki udział w rynku biżuterii. Ponadto w tym czasie opracowano metody badawcze, które umożliwiają pewną identyfikację wyhodowanych diamentów. Oznakami syntezy są wtrącenia metali, w diamentach kolorowych widoczne są sektory wzrostu, ponadto diamenty HPHT, CVD i diamenty naturalne mają różne wzorce luminescencji w promieniach UV.

W zależności od zawartości azotu diamenty dzieli się na jeden z dwóch głównych typów. Diamenty typu I zawierają do 0,2% azotu, którego atomy są rozmieszczone w miejscach sieci krystalicznej w grupach (Ia) lub pojedynczo (Ib). Wśród diamentów naturalnych dominuje typ I (98%). Z reguły takie kamienie rzadko są bezbarwne. Diamenty typu IIa praktycznie nie zawierają azotu (mniej niż 0,001%) i stanowią jedynie 1,8% kamieni naturalnych. Jeszcze mniej powszechne (0,2%) są diamenty bezazotowe z domieszką boru (IIb). Atomy boru w miejscach sieci krystalicznej decydują o ich przewodności elektrycznej i nadają diamentom niebieskawy odcień.

„Co konsumenci myślą o hodowanych diamentach? To dobrze” – mówi Nikołaj – „zwłaszcza dzisiejsza młodzież. Ważne jest dla nich, aby były to diamenty bezkonfliktowe i tworzone przez ludzi korzystających z zaawansowanych technologii, bez ingerencji w naturę. Cóż, cena jest o połowę niższa. Oczywiście w certyfikacie jest napisane, że kamienie są uprawiane, ale mają na sobie pierścionek z brylantem, a nie certyfikat! A pod względem właściwości fizycznych i chemicznych nasze diamenty są identyczne z naturalnymi.”

Jak dotąd większość zysków pochodzi z produkcji diamentów na rynek jubilerski. Jednak w nadchodzących latach prawdopodobnie będzie ogromny popyt na hodowane diamenty i płytki diamentowe do zastosowań w specjalistycznej optyce, mikroelektronice i innych zaawansowanych technologicznie zastosowaniach przemysłowych.

Od biżuterii po przemysł

Diamenty jubilerskie są lukratywną częścią działalności NDT, ale przyszłość należy gdzie indziej. Dyrektor techniczny NDT Alexander Kolyadin lubi mawiać: „Jeśli z diamentu nie da się zrobić nic innego, zrób diament”. Tak naprawdę najbardziej obiecującym rynkiem dla dużych, wysokiej jakości diamentów syntetycznych jest przemysł. „Żaden naturalny diament nie nadaje się do stosowania w specjalnej optyce lub elektronice” – mówi Alexander Kolyadin. - Mają za dużo wad. A płytki wycięte z naszych diamentów mają niemal idealną sieć krystaliczną. Niektóre organizacje badawcze, którym dostarczamy nasze próbki do badań, nie mogą uwierzyć w zmierzone parametry - są tak doskonałe. I to nie tylko pojedyncze próbki - możemy z całą pewnością zapewnić powtarzalność cech, która jest kluczowa dla przemysłu. Diamenty są radiatorami, są oknami dla specjalnej optyki i synchrotronów i oczywiście mikroelektroniki mocy, które są obecnie rozwijane na całym świecie.

„Sektor przemysłowy stanowi obecnie 20% naszej produkcji, ale za trzy lata planujemy zwiększyć go do 50%, zwłaszcza że popyt szybko rośnie. Obecnie produkujemy głównie płyty 4 x 4 i 5 x 5 mm, wycięliśmy na zamówienie kilka płyt 7 x 7 i 8 x 8 mm, a nawet 10 x 10 mm, ale to jeszcze nie jest produkcja masowa. Naszym następnym celem, mówi Nikolai Chikhinashvili, jest przejście do produkcji calowych płyt diamentowych. Jest to minimum, na które istnieje duże zapotrzebowanie w masowym przemyśle elektronicznym i optycznym. Aby uzyskać takie płytki, musisz wyhodować kryształ diamentu o wadze stu karatów. To jest nasz plan na najbliższą przyszłość.” „Przez dekadę?” – wyjaśniam. Nikołaj patrzy na mnie z wielkim zdziwieniem: „Dekada? Zrobimy to przed końcem roku.”

Diamenty fascynowały ludzi od czasów starożytnych, służyły jako luksusowa dekoracja i były dowodem bogactwa człowieka. Wcześniej o ich wartości decydował fakt, że były wyłącznie pochodzenia naturalnego, były rzadkie, a ich wydobycie było zadaniem niezwykle trudnym. Teraz pojawiła się godna i niedroga alternatywa - sztucznie hodowane diamenty.

Informacje historyczne

Po raz pierwszy sztuczny diament stał się znany dzięki kosmosowi, a dokładniej meteorytowi, który spadł z nieba. Stało się to na początku ubiegłego wieku we Francji, po czym francuski badacz Henri Moissan odkrył w kraterze powstałym po upadku kamień bardzo podobny pod względem właściwości do diamentu. Następnie Moissan otrzymał za swoje odkrycie Nagrodę Nobla, a odkryty przez niego kamień nazwano na jego cześć – moissanite.

W Szwecji w 1950 roku lokalni naukowcy po raz pierwszy wyhodowali kamień szlachetny w laboratorium. Radzieccy naukowcy wyróżnili się także w tworzeniu sztucznie hodowanych diamentów. W 1976 roku na bazie związków węgla udało im się stworzyć analog zwany cyrkonem sześciennym.

Rodzaje sztucznych diamentów

Wyróżnia się dwa główne rodzaje diamentów sztucznych: o naturalnej strukturze (cyrkonia, moissanit) oraz tzw. „Substytuty” - kryształy, polimery, rutyle. Każdy z powyższych przedstawicieli rynku diamentów syntetycznych ma swoją własną charakterystykę:

1. Cyrkonie są dostępne w różnych kolorach i dobrze rzucają blask. Za najcenniejsze uważa się okazy bezbarwne. Różnią się od naturalnych diamentów wagą: z reguły cyrkonia jest nieco cięższa. Wady kamienia obejmują jego zdolność do szybkiego zmętnienia, a także zarysowania.
2. Moissanity należą do najcenniejszych diamentów syntetycznych. Kamień zyskał swoją reputację dzięki swojej wytrzymałości, gładkości i jasnemu połyskowi. Od naturalnego diamentu różni się zbyt mocnymi refleksami.
3. Cyrkonie to imitacja kamienia szlachetnego, która jest szeroko stosowana do projektowania odzieży, akcesoriów, manicure itp. Tworzone są ze szkła lub akrylu. Najpopularniejszym producentem dżetów jest austriacka firma Swarovski. Produkty tej marki cieszą się zainteresowaniem na całym świecie ze względu na szeroki asortyment, przystępne ceny i dobrą jakość.

W WNP największym przedsiębiorstwem wydobywającym diamenty jest grupa spółek ALROSA. Przez długi czas Andrey Zharkov był menadżerem ALROSA. W tej chwili Żarkow nie stoi już na czele firmy, ponieważ otworzył własne przedsiębiorstwo zajmujące się produkcją syntetycznych diamentów. Jak przyznaje Andrey Zharkov, uważa syntetyczne diamenty za „diamenty nowego stulecia” i jest przekonany, że rynek diamentów syntetycznych ma przed sobą wielką przyszłość.

Metody uprawy sztucznych kamieni

Znanych jest wiele metod tworzenia syntetycznych diamentów. Diament jest najtwardszym kamieniem na ziemi, dlatego twórcy jego analogów starają się, aby ich produkty nie były gorsze od standardu. W tym celu buduje się ogromne kompleksy, w których spełnione są określone warunki i wykorzystuje się najnowocześniejszy sprzęt. Warto zaznaczyć, że cena niektórych sztucznych diamentów przewyższa koszt naturalnych, gdyż producent ponosi ogromne koszty przy ich produkcji.

Poniżej znajdują się najczęstsze metody uprawy sztucznych diamentów:

1. Laboratorium stwarza warunki możliwie najbardziej zbliżone do tych, w jakich powstają diamenty w naturze. Wykorzystuje się do tego prasę wysokociśnieniową. Wewnątrz korpusu tej prasy znajduje się specjalna komora. Grafit umieszczony jest w przegródce specjalnej kapsułki, która pod ciśnieniem zamienia się w diament. Do kapsuły doprowadzony jest prąd. Najpierw jest schładzany, następnie ściskany przez prasę i przykładany jest impuls elektryczny. Następnie lód jest rozmrażany, a gotowy diament wyjmowany z kapsuły. Otrzymane w ten sposób diamenty są mętne i porowate i wykorzystywane są raczej do celów przemysłowych.
2. Uprawa kamienia w środowisku metanowym. Do naturalnego diamentu dodaje się dodatkową masę, która służy jako materiał „nasienny”. Diament podgrzewa się do temperatury 1111 stopni. Nie da się podnieść temperatury wyżej, gdyż już przy 1200 stopniach kamień zaczyna zamieniać się w grafit. Atomy węgla są dodawane do gorącego diamentu w kapsułce. W takich warunkach w ciągu 1 godziny rośnie około 0,2% węgla z całkowitej masy nasion diamentu.
3. Metoda eksplozji. Używany do produkcji pyłu diamentowego. Grafit umieszczany jest na specjalnej podgrzewanej powierzchni, która podczas fali detonacyjnej zamienia się w pył diamentowy.
4. Zastosowanie katalizatorów. Jako katalizatory stosuje się metale takie jak żelazo, rod, pallad i platyna. Metale katalityczne ułatwiają proces produkcji diamentów, ponieważ wymagane jest mniejsze ciśnienie i niższa temperatura. Same kryształy powstają w przestrzeni pomiędzy gorącym grafitem a warstwą katalizatora metalicznego. Diamenty otrzymywane tą metodą wykorzystywane są głównie do celów przemysłowych.

Koszt sztucznych diamentów

Cena diamentów syntetycznych zależy od wielu czynników. Należą do nich złożoność produkcji, kolor, szlif itp. Szczególną uwagę należy zwrócić na aktualne trendy na rynku kamieni szlachetnych. W zależności od trendów w modzie, w różnym czasie istniał popyt na rutyle, cyrkonie i moissonity. Osoby, których zainteresowanie kamieniami kierują się nie tyle potrzebami estetycznymi, ile finansowymi, inwestują w produkcję syntetycznych diamentów.

Na przykład niektóre okazy moissonitu są droższe niż prawdziwe diamenty. Wszystko zależy od technologii produkcji i szlifu kamienia. W Stanach Zjednoczonych cena moissonitu waha się od 70 do 150 dolarów za karat. Cyrkonia jest znacznie tańsza: jej koszt waha się od 1 do 5 dolarów. Cena sztucznych diamentów zależy również od koloru. Niezwykle trudno jest osiągnąć krystaliczną przezroczystość kamienia, dlatego analogowy kamień z czystej wody będzie kosztował więcej niż ten sam żółty lub czerwonawy okaz.

Obecnie większość biżuterii prezentowanej w sklepach jubilerskich wykonana jest z diamentów syntetycznych z myślą o rynku masowym. Stosunek diamentów domowej roboty do kamieni naturalnych wynosi około 3:1. Z reguły są to cyrkonie oprawione w białe i żółte złoto, srebro i platynę. W odróżnieniu od naturalnych, sztuczne diamenty można nosić o każdej porze dnia, natomiast ich „naturalny” odpowiednik przeznaczony jest przede wszystkim do kreacji wieczorowej.

Do noszenia na co dzień odpowiednie są kolczyki wykonane ze złota lub srebra z drobnymi kryształkami. Wygląda prosto i gustownie jednocześnie.

Bransoletki i pierścionki z opalizującymi kamieniami nosi się głównie na wyjścia, ale pierścionek ze skromną cyrkonią w oprawie z białego złota całkiem nadaje się do codziennej pracy.

Aby przedłużyć żywotność biżuterii z domowymi kamieniami, należy odpowiednio o nią dbać. Przed czyszczeniem lub kontaktem z agresywnymi detergentami należy zdjąć z rąk wszystkie pierścionki i bransoletki. Przedmioty zawierające sztucznie wyhodowane diamenty należy regularnie przecierać miękką chusteczką i przechowywać w pudełku w osobnym pudełku lub materiałowej torbie. Wskazane jest również wybranie skrzynki wykonanej z kamienia (malachit, marmur), ponieważ drewno wraz z oparami może uszkodzić kamienie, powodując ich matowienie.

Zalety i wady

Bez wątpienia pojawienie się sztucznych diamentów oznacza postęp zarówno dla rynku kamieni szlachetnych, jak i dla zwykłych ludzi. Wcześniej niewiele osób mogło sobie pozwolić na biżuterię z diamentami ze względu na ich bajeczny koszt. Dziś rynek syntetycznych diamentów jest pełen dżetów i cyrkonii, a noszenie takiego „fałszywego” wcale nie jest wstydliwe. Wręcz przeciwnie, wiele gwiazd otwarcie przyznaje, że woli biżuterię.

Jednak pomimo tak dużej zalety, syntetyczne diamenty mają również swoje wady. Najbardziej podstawowym z nich jest żółta mgiełka, która jest widoczna pod mikroskopem na każdym egzemplarzu takiego diamentu. Powodem jego pojawienia się jest to, że podczas produkcji kamieni uwalniana jest pewna ilość azotu, który nabiera żółtego odcienia i pozostaje przeplatany sztucznym diamentem. Na podstawie tej mgły doświadczony jubiler może z łatwością określić pochodzenie kamienia.

Kolejną wadą kamieni syntetycznych jest to, że niektóre z nich nie mają takiego samego stopnia twardości jak ich prawdziwy odpowiednik, dlatego łatwo ulegają zarysowaniom i matowieniu. Na przykład Moissanit ma prawie taką samą twardość jak prawdziwy kamień, ale świeci zbyt jasno w świetle, co również odstrasza niektórych miłośników dyskretnego piękna.