Синтезиране на изкуствени диаманти и тяхната история по света

366

Нашата статия е посветена на диаманта като естествен природен продукт, но е невъзможно да не се засегне макар и накратко въпросът за изкуственото му получаване.

Точно този проблем обединява и опита на десетки изследователи, работещи по метода на „пробите и грешките“, и гениалното научно прогнозиране, и удивителното майсторство и настойчивост на експериментаторите, и накрая практическия „резултат“, чийто икономически ефект се измерва не с милиони, а с милиарди долари.

Стига човек поне приблизително да изясни същността на едно или друго естествено вещество, той веднага започва да се съревновава с природата – стреми се да го получи изкуствено (от по-евтини изходни материали и по възможно най-икономичен начин), като крайната цел е да надмине природата и да създаде аналогични вещества, но с нови, необикновени свойства.

В това отношение и диамантът не прави изключение. След опитите на А. Лавоазие, С. Тенант и X. Деви се установява, че по химичен състав диамантът и графитът са еднакви и са изградени от въглерод и че елмазът преминава в графит при нагряване до 1500°С в отсъствие на въздух. Тези закономерности навеждат на мисълта дали не е възможен обратният преход, т. е. получаване на изкуствени диаманти от графит или някакво друго въглеродсъдържащо съединение. Така се слага началото на серия от опити.

Работата изглеждала проста, ясна и безпогрешна. Според всеобщата представа било достатъчно само да се постави вещество, съдържащо въглерод, в някакъв геометричен съд (най-добре заварени метални цилиндри или тръби), който да се нагрее колкото се може повече и рязко да се охлади. След това остава да се отвори съдът и да се извадят образувалите се диаманти. Практически всеки би могъл да направи подобен опит. И никак не е чудно, че чиновници и лекари, аптекари и търговци ставали експериментатори, тъй като желаещите да превърнат такъв евтин материал като въглищата в скъпоценни брилянти били много.

Аналогични опити в един или друг вариант провеждат и истински учени, като французите Каняр-Латур, М. Муасан, Ханкал, чехите Фридлендер и Хаслингер, немците Волф и Наумен, англичанина Ченъл, руските изследователи В. Н. Каразин и К. Д. Хрушчов.

Постепенно се наложило мнението, че при синтезирането на диаманти налягането играе не по-малка роля от температурата. Всъщност тази мисъл се прокрадвала и при по-ранните опити, тъй като при рязкото охлаждане на стопилката би следвало да се развият големи налягания.

По подобен начин разсъждавал и английският минералог Б. Хъней. Диамантът се образува от въглеродсъдържащи вещества при висока температура и налягане, като отначало въглеродът се разтваря в разтопения метал, а след това под действието на рязкото охлаждане и свързаното с него огромно налягане кристализира във вид на диамант.

През периода от 1878 до 1880 г. Б. Хъней направил редица опити. В дебелостенна желязна тръба, стегната и със стоманени обръчи, той поставил смес от 90 части парафин, 10 части костно масло и четири части метален литий. Хъней предполагал, че при висока температура парафинът и костното масло се разлагат, отделяйки свободен въглерод, който веднага след това се поглъща от разтопения литий.

Хъней поставил в пещ и нагрял до тъмночервено заварена тръба, пълна до ¾ от обема с описаната по-горе смес (характерно е, че само 3 от 80 тръби издържали нагряването докрая), след което рязко я охладил в съд с разтрошен лед. Разрязал една от изстиналите тръби и от нея извадил черен спечен брикет. При аналитичния анализ в него открили 11 блестящи кристалчета, които прекрасно режели стъкло и не се разтваряли в никаква киселина.

Резултатите на Хъней обаче не предизвикали особен интерес, тъй като по онова време се разпространявали твърде много сензационни слухове за синтезирани диаманти. След смъртта на изследователя неговите камъни са предадени в Британския музей и поместени в стъклена витрина с надпис: „Изкуствените диаманти на Хъней“.

Минали повече от 60 години и през 1943 г. английските учени Ф. Банистер и К. Лонсдейл се заинтересували от тайнствените кристали на Хъней. Направеното от тези учени рентгенографско изследване на камъните показало, че всички те без съмнение са диаманти. Наистина ли Хъней пръв в историята е синтезирал диаманти? Банистер и Лонсдейл решили да повторят опитите на Хъней, като точно възпроизвели всички условия. Резултатите били напълно отрицателни.

Като взела предвид, че по свойства диамантите, които уж били получени от Хъней, съществено се отличавали един от друг, К. Лонсдейл допуснала, че те са всъщност от естествен произход и дори от различни природни източници. Съществува версия, че може би помощникът на Хъней, на когото омръзнали опасните опити, сложил в една от тръбите кристалчета от истински диаманти. Така тайната на „диамантите на Хъней“, които са изложени върху черно кадифе във витрината на една от залите на Британския музей, и до днес не е разгадана.

Постепенно за учените става все по-ясно, че главният параметър, определящ успешното синтезиране на диаманти, е налягането. Но как да се повиши то в процеса на опита? Един от възможните начини е взривът. Така още през 1877 г. италианецът Майорана поставил в обикновена „нагревателна“ тръба барутен прах, като смятал, че при взрива ще се развие налягане, достатъчно за образуване на диаманти. Но диаманти така и не се получили.

Друг начин за получаване на високо налягане е пресоването. Англичанинът Ч. Парсънс при своите опити достигнал налягане 980 МПа, а американецът У. Бриджмън – 41,65 ГПа. Въпреки това те не успели да получат синтетични диаманти. Обаче теоретическите и практическите работи на У. Бриджмън (Нобелов лауреат, основоположник на съвременната техника за получаване на високи налягания) подготвят бъдещия успех в синтезирането на диаманти.

В резултат на разнообразна изследователска работа било установено, че за получаване на изкуствени диаманти са нужни извънредно високи температури и най-важното – голямо налягане. Високи, но колко? Необходимо било да се получат няколко съвсем конкретни цифри. А това по същество означавало да се реши една необикновено трудна задача – да се разгадаят природните закономерности.

Решил я руският учен Овсей Илич Лейпунски. През 1939 г. той публикува своята знаменита теоретично изчислена диаграма за фазовите състояния на въглерода при различни условия. От нея следва, че преходът на графита в диамант става при температура около 2000°С и налягане, не по-малко от 6ГПа. О. И. Лейпунски обосновава освен това необходимостта от използване на специални разтворители (течни метали) за ускоряване на прехода. Формулираното от него рационално съчетание на трите условия, необходими за синтеза на диаманти (стойността на температурата, налягането и наличието на определена среда), е в основата на повечето съвременни методи за производство на изкуствени диаманти при високо статично налягане.

Следователно след публикацията на О. И. Лейпунски станало ясно как да се превърне графитът в елмаз. Оставало технически да се реализира тази идея. В много страни закипява работа, но със започването на Втората световна война тя е практически преустановена почти навсякъде. И сигурно неслучайно първата страна, където успешно са получени изкуствени диаманти, е неутралната във войната Швеция. През 1953 г. успех постига групата, ръководена от Б. Платен и Е. Лундблад и финансирана от Всеобщата шведска електрическа компания (ASEA).

Компанията обаче толкова грижливо запазва в тайна своя успех, че за него става известно едва след десет години.

Паралелно аналогични работи се провеждат и в други страни. В САЩ преди войната най-голямата компания, „Дженеръл илектрик“, сключва договор с група физици начело с У. Бриджмън. Компанията предоставя на учените пълна свобода на действие и неограничени средства. През 1953 г. е построена мощна инсталация „Белт“, на която се достига налягане до 20 ГПа при температура 5000°С. На 16 декември 1954 г. след редица неизбежни неуспехи са получени синтетични диаманти. „Дженеръл илектрик“ патентова своето откритие и през 1955 г. пристъпва към промишлено производство на изкуствени диаманти. Изпреварвайки първооткривателите шведи, които прекалили със засекретяването, през 1957 г. компанията обявява, че е изработила 100 хил. карата диамантни прахове и че те струват съвсем малко по-скъпо от праховете от природни диаманти.

След втората световна война проблемът за получаване на изкуствени диаманти извънредно остро се поставя и в Съветския съюз. Доставките на диамантни инструменти по договор с чужбина се прекратяват, съветските природни диаманти още нямат промишлено значение, а синтетичните диаманти се продават от американските и шведските фирми по цени, съпоставими с цените на брилянтите. Затова Академията на науките на СССР поръчва на трима учени Л. Ф. Верешчагин, Ю. Н. Рябинин и В. А. Галактионов, да продължат започнатите още преди войната работи по синтеза на диаманти. През 1958 г. са получени първите съветски синтетични диаманти (от тях са направени сувенирни гравьорни моливи, като един е подарен на академик П. Л. Капица). През 1960 г. с опитна апаратура учените постигат стабилно получаване на изкуствени диаманти.

Обаче едно нещо е да се получават синтетични диаманти с лабораторна инсталация, а съвсем друго да се разработи промишлена технология и да се осигури производството на диаманти в мащаби, задоволяващи всички потребности на съветската промишленост. Необходими били хора, готови да поемат върху себе си голямата отговорност за организацията на това уникално производство. И такива хора, разбира се, се намерили.

През същата, 1960 г. в Москва се срещат Л. Ф. Верешчагин и В. Н. Вакул, тогава ръководител на Централното конструкторско и технологично бюро (ЦКТБ) за твърдосплавни и диамантни инструменти в Киев. И още на следващия ден след тази среща Л. Ф. Верешчагин е в Киев, а скоро там с два 5-тонни товарни автомобила са доставени две инсталации за синтез на диаманти.

Минават 11 месеца и през октомври 1961 г. на Киевската гара в Москва от влака слиза пътник с чанта. Съпровождат го двама млади хора. Пътникът е В. Н. Бакул, а съпровождащите негови сътрудници. В чантата носели синтетични диаманти първите промишлено произведени в СССР.

На XXII конгрес на КПСС президентът на Академията на науките на СССР академик М. В. Келдиш съобщава на делегатите, че съветските учени са разработили метод за получаване на синтетични диаманти. На масата на президиума на конгреса е поставен пакет с донесените от В. Н. Бакул синтетични диаманти.

Минават години. Сега е осъществено производството на синтетични диаманти в Русия, САЩ, ЮАР, Ирландия, Япония, Швеция и редица други страни. Синтетичните диаманти почти напълно са заместили природните в такава област като изготвяне на прахове, пасти и абразивни инструменти, за което по-рано се е разходвало повече от 70% от природните технически диаманти. Появи се възможност по-рационално да се подходи към използването на природните технически диаманти.

Днес изкуственият диамант е преди всичко технически диамант, диамант труженик. Както заявява в началото на 70-те години президентът на „Дженеръл илектрик“ Артур Бюч, „бизнесът на фирмата се основава върху производството на диаманти с тегло една хилядна от карата“: В тази област синтетичният и природният диамант са приятели, които си помагат и взаимно се заменят. А могат ли те да станат съперници? С други думи, могат ли да се получат изкуствени диаманти, способни да конкурират природните като бижутерийни изделия?

През 1970 г. в САЩ е получен синтетичен диамант с бижутерийно качество с големина 6 мм. Синтезът му продължил седем денонощия, а стойността му 8 пъти надхвърлила стойността на аналогичен по качество природен диамант със същия размер.

И така дори сега принципно е възможно получаването на големи синтетични диаманти с бижутерийно качество, годни за шлифоването им до брилянти. Тяхната стойност обаче много превишава стойността на аналогичните природни камъни. Затова поне засега изкуствените бижутерийни диаманти имат само чисто научно значение.

Но това въобще не означава, че изкуственият диамант ще победи природния. Например сега ние вече умеем да получаваме достатъчно големи кристали от кварц, аметист, циркон, рубин, сапфир, даже изумруд, но колкото и да е парадоксално, пените на природните камъни не намаляват, а, напротив, се увеличават, при това тенденцията за такъв ръст изглежда доста устойчива. Няма никакви основания да се очаква, че диамантът ще направи изключение. Производството на бижутерийни синтетични диаманти ще означава само, че в историята на диаманта се открива нова, още по-интересна страница. В сватбената бижутерия и по-точнов производството на качествени брачни халки, естествените диаманти трудно биха били изместени от изкуствените

Ще бъде ли винаги така? Цялата история на развитието на науката и техниката позволява еднозначно да се твърди: разбира се, не. Безусловно ще мине време и диаманти с най-разнообразен размер и качество ще се изпичат в заводските цехове без особени затруднения и разходи.

Информация и източници за тази статия:

https://2trauringe-gold.de