Как сделать алмаз самому и возможно ли это? Свойства и методы производства искусственных алмазов

– Onriom

Производство искусственных алмазов требует выполнения нескольких сложных условий. Недавно при помощи компьютерного моделирования учёные смогли в мельчайших деталях воссоздать процесс превращения графита в алмаз.

Подпись к изображению: При помощи новейшего научного метода учёные впервые в точности воспроизвели процесс превращения графита в алмаз.

Переход состоит из нескольких этапов, начиная от образования алмазного «семечка» внутри графита, и заканчивая полной трансформацией в настоящий алмаз под воздействием высокого давления.

Между этими двумя разновидностями естественно формирующегося элементарного углерода (темно-серым графитом и блестящим алмазом) намного больше различий, чем между каждым из них и практически любым другим материалом.

Существенная разница в прочности алмаза и графита связана, в основном, с их кристаллической структурой – кубической в случае с алмазом и гексагональной в случае с графитом.

Это различие и делает алмаз прочнейшим из всех известных материалов, в отличие от относительно мягкого графита. Именно благодаря своей высокой прочности алмазы пользуются спросом не только как драгоценные камни — их используют в промышленности для шлифовки и распиливания особо твердых материалов.

Сложное превращение

Впервые получить алмаз из графита искусственным образом удалось 60 лет назад. Но до производства в промышленных масштабах дело не дошло. Дело в том, что необходимыми условиями для его производства являются высокое давление и высокие температуры, процесс этот очень длительный и требует больших энергетических затрат. Он включает в себя принудительное изменение структуры углерода, изменение расположения его электронов.

Должны сформироваться четыре связи атомов углерода вместо трех, и состояние углерода должно измениться с энергетически «комфортного» до энергетически «некомфортного», плотного состояния. Чтобы это произошло, углерод должен преодолеть сильный энергетический барьер.

Как именно происходит подобная трансформация, и в какой момент углерод становится алмазом — до сих пор наука не могла дать внятного ответа на этот вопрос.

Профессор вычислительных наук Высшей технической школы Цюриха и Университета Лугано Мишель Парринелло и его команда, используя метод компьютерного моделирования, успешно воссоздали процесс трансформации графита в алмаз в виртуальном пространстве.

Упрощение дает ложную картину

В прошлом ученые пытались смоделировать фазу перехода, используя так называемый «метод Кар-Парринелло». С помощью этого метода можно приблизительно определить структуру и энергетическое состояние электронов в каждой позиции в ионе и, таким образом, смоделировать ситуацию с разрывом и последующим формированием новых ионных связей.

Метод 25-летней давности был разработан в процессе совместной работы Парринелло с Роберто Каром. «Однако создание точной модели процесса перехода от графита к алмазу обойдется слишком дорого, если учесть необходимость отслеживать огромное количество атомов», — говорит Парринелло.

Исследователи попытались упростить этот метод: они значительно сократили используемое при моделировании количество атомов. Но, как утверждает Парринелло, при подобном моделировании вся фаза трансформации графита выглядит таким образом, будто происходит мгновенно, как по команде, а не поэтапно.

Совсем другую картину удалось получить при помощи нового, недавно разработанного метода моделирования. Используя суперкомпьютер Швейцарского национального суперкомпьютерного центра, учёные вычислили десятки тысяч конфигураций атомов с плавно переходящим энергетическим состоянием.

Это означает, что конфигурации атомов обладают широким спектром возможных энергетических состояний. После того как ученые интерполировали их энергетическое состояние и использовали полученные данные как базис для моделирования, стало очевидно, что сначала формируется алмазное «семечко», которое затем, под влиянием высокого давления, постепенно изменяет свою гексагональную графитную структуру до кубической.

Моделирование фазы трансформации с помощью новейшего метода позволило сделать ещё одно открытие: структурные дефекты в кристаллической решетке графита уменьшают количество барьеров, которые необходимо преодолеть для образования алмазного «семечка»... Поэтому структурные дефекты могут увеличить скорость протекания процесса преобразования.

Этот метод может быть использован везде, где есть необходимость визуализировать фазовые переходы - подчеркивает Парринелло.

Синтетические алмазы, или бриллианты, это искусственно выращенные бриллианты, возникшие в результате человеческой деятельности, относящиеся к классу промышленных изделий. Такие камни обладают той же атомной структурой, химическим составом и физическими свойствами, что и настоящие добытые бриллианты, к тому же они производятся из тех же материалов, а именно: чистый углерод, кристаллизованный в изотропичную кубическую форму.

Уникальные свойства синтетических алмазов делают их превосходным продуктом для удивительно разнообразного применения в промышленности, науке и быту. Сочетание свойств делает искусственный алмаз одним из самых впечатляющих материалов в мире.

Отсутствие дефектов кристаллической решетки считается основным выдающимся свойством алмаза. Чистота и совершенство кристалла делают алмазы прозрачными, высокая теплопроводность актуальна для сферы промышленности, а твердость, оптическая дисперсия и химическая стойкость сделали алмаз популярнейшим драгоценным камнем. Оптическая дисперсия присуща всем алмазам, остальные характеристики могут варьироваться в зависимости от метода и условий создания.

Свойства бриллиантов включают:

Оптические свойства и цвет синтетических алмазов

Искусственный бриллиант имеет самый широкий спектральный диапазон из всех известных материалов: от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и микроволнового. В сочетании с механическими и термическими свойствами алмазы идеальны в производстве лазерной оптики, применении лазеров.

Бриллианты можно встретить в любом вообразимом цвете с бесчисленным количеством оттенков, тонов и уровней насыщенности. Цвет возникает из-за включений на уровне атомов, застрявших в кристаллической решетке камня.

Цвет состоит из 3 основных компонентов:

Созданные в лаборатории бриллианты выращиваются в трех потрясающих цветах – желтом, синем и бесцветном. Эти цвета являются перманентными, никогда не меняются, не выцветают со временем или из-за температурного воздействия.

Рассмотрим более подробно:

Заменители драгоценного камня

Заменитель бриллианта это материал, внешний вид которых сильно напоминает настоящие бриллианты. Если эксперт не осмотрит заменитель на близком расстоянии, имитация почти неотличима от настоящего алмаза. Поддельные камни, в отличие от оригиналов, не имеют кристаллической решетки углерода.

Подделки алмазов существовали еще в 1920 году – были обнаружены формы шпинели, такие как корундолит и радиент, а десятилетиями позже – формы титаната стронция, сапфира, рутила и других минералов, возглавивших мировой рынок фальшивых бриллиантов.

В последние годы появился новый класс алмазов-имитаторов со значительным повышением качества. Одним из наиболее распространенных имитаторов бриллиантов является диоксид циркония, или фианит.

Обнаруженный в 1976 году материал занимает второе место после муассанита в производстве фальшивых бриллиантов. Материал смешивают со стабилизирующим агентом, например оксидом кальция или иттрия оксидом. Фианиты доступны на рынке в различных цветах и чистоте/яркости.

Бесцветный фианит является одним из самых дорогих, поскольку произвести его тяжелее всего.

Коэффициент относительной плотности добытого алмаза ниже, чем у фианита, этот фактор используется как эффективная проверка на подлинность бриллианта, осуществляемая посредством специального устройства, напоминающего перо ручки. Фальшивка тяжелее и приобретает характерный зеленовато-желтый цвет при воздействии коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Муассанит ярче, чем алмаз, и его сложнее отличить от настоящего бриллианта, чем фианит. Химически он известен, как карбид кремния или карборунд. Генри Мауссан получил Нобелевскую премию за открытие материала муассанита, найдя фрагменты метеорита в кратере. Свойства мауссанита позволяют выдавать его за настоящий бриллиант даже при самых минимальных человеческих усилиях и современных методах обработки.

Покупатель камня может быть легко обманут, купив вместо бриллианта реплику. Природные бриллианты имеют шероховатую поверхность и черные включения, у муассанита же нет косметических дефектов, эстетические качества материала оцениваются очень высоко.

Некоторые другие заменители бриллиантов доступные сегодня – циркон, белый топаз, синтетический рутил, белый сапфир и алюмоиттриевый гранат. Эти поликристаллические синтетические бриллианты производятся методом химического осаждения из газовой фазы при низкой температуре и низком давлении.

К заменителям относится также стеклянный бриллиант, симулянт, изначально сделанный из горного хрусталя, а сегодня - из стекла или акриловых полимеров.

Еще в XVIII веке ювелиру из Эльзаса Георгу Фридриху Страссу, от чьего имени и получил название материал, в голову пришла идея наносить на нижнюю сторону свинцового стекла (хрусталя) металлическую пудру. Сегодня некоторые компании используют метод осаждения металла, получая равномерное тончайшее покрытие.

Хрустальные стразы производятся австрийской компанией Swarovski и компанией Preciosa из Чехии.

Технология выращивания искусственного камня

Метод получения искусственных алмазов осуществляется посредством ручного управления температурой и давлением в лабораторных условиях. На сегодняшний день существует 2 варианта получения техногенных камней, достаточно крупных для создания ювелирных изделий:

Как вырастить алмаз в домашних условиях?

Для того чтобы провести опыт и узнать, как сделать алмаз дома, вам понадобится:

Рассмотрим процесс поэтапно:

Примечание: из-за масла в микроволновой печи могут появиться искры, это не страшно, искры перестанут появляться спустя несколько минут. Внутри кружки температура невероятно высокая, поэтому конструкцию трогать не нужно до полного остывания.

Федеральная торговая комиссия США настаивает на том, чтобы синтетические бриллианты были маркированы лазерной гравировкой. Другим доступным способом, устанавливающим различие между добытым природным алмазом и камнем, выращенным в лаборатории, является использование научного аппарата и программы, изучающей и фиксирующей характерную кристаллическую решетку.

На сегодняшний день самым крупным синтетическим бриллиантом в России является камень в 10,07 карата темно-синего цвета с изумрудной огранкой, выращенный российской компанией по производству алмазов “Нью Даймонд Технолоджи”.

Камень был получен методом использования высоких температур и высокого давления. Международный Геммологический Институт сертитфицировал данный алмаз, как имеющий ясность Si1, когда включения заметны опытному грейдеру с 10-кратным увеличением, камень имеет легкое свечение, отличные пропорции, симметрию и глянец.

Алмаз с нуля — с арахисовым маслом

Понимание того, как алмазы образуются в глубинах Земли может объяснить, как жизнь развивалась на нашей планете. Так команда из Германии пыталась подделать драгоценные камни. Лабораторное производство алмазов из углекислого газа и арахисового масла.

Дэн Фрост слышит глухой выбух и пол его офиса вибрирует. Это означает только одно: один из его экспериментов снова взорвался. Пробираясь вниз, к лаборатории, он находит шок на лицах своих коллег по лаборатории. От того, где они работают, он почувствовал, как взорвалась небольшая бомба. У их учеников всё ещё расширены глаза от страха. «Это звучит ужасно», говорит он извиняющимся тоном. «Но это не опасно — всё защищено.»

Взрыв является частью их работы. Учёный в Bayerisches Geoinstitut в Германии пытается имитировать условия нижней мантии Земли, за тысячи километров ниже наших ног. Это включает в себя дробление пород на самых высоких давлениях, известных человечеству.

Неудивительно, случаются неудачи. В рамках этой работы, Фрост нашёл удивительные способы делать алмазы — от углекислого газа, например. И арахисового масла. Да, арахисовое масло.

По сравнению с нашими огромными достижениями в освоении космоса, мы по-прежнему знаем очень мало о мире, лежащим под нашими ногами. Начальная геология говорит нам, что недра Земли можно разделить на грубые слои: сердцевину, нижнюю и верхнюю мантию, и корочку. Но их точный состав по-прежнему тайна — и это серьезный пробел наших знаний.

«Если мы хотим понять, как образовалась Земля, то одну из вещей, которую вы должны знать, из чего сделана планета»

Многие геологи предполагают, что Земля сделана из того же материала, что метеориты из астероидного пояса. Проблема в том, что большинство метеоритов, которые падают на землю имеют более высокую долю кремния, чем мы находим в земной коре. Так где же он делся? Одним из вариантов является то, что он застрял в нижней мантии.

Фрост использует мощный поршень, чтобы выдавить со скоростью маленькие образцы кристаллов при атмосферном давлении до 280000 раз, для них одновременно приготовлены печи. Это воссоздает условия как в верхних слоях нижней мантии около 800 или 900 км ниже поверхности Земли, в результате чего атомы кристалла перестраиваются в более плотные структуры.
Вторая наковальня давит вновь образованные минералы — имитируют те условия, что лежат в более глубоких пластах Земли. В то время как образец всё ещё находится в этом устройстве, он измеряет какие звуковые волны проходят через полученный кристалл. Сравнивая эти данные показаний сейсмических волн, проходящих через недра Земли, он может узнать, является ли его образец близким по составу к мантии.

Поглощения углерода и Поверхностные взаимодействия

Мантия, оказывается, не содержит высокой доли кремния, соответствующей составу метеоритов. Земля изначально имела гораздо больше корку, полную кремния. Возможно, потребуется пересмотреть исходные материалы, из которых Земля сделана в первую очередь.

Процесс интенсивного давления также создал минеральный рингвудит, тёмно-синий силикат железа магния, которые . Полученные результаты свидетельствуют о том, что в глубине мантии могут скрываться «океаны» Земли.

Контр-интуитивно расскажу о воздухе, которым мы дышим. Фрост подозревает, что ряд геологических процессов могут тянуть CO2 из океана вниз, в мантию, где он преобразуется в алмазы. Эти драгоценные камни являются менее изменчивыми, чем другие формы углерода. Это означает малую вероятность, что они будут выпущены обратно в атмосферу.

Бриллиантами мантия замедлила потепление Земли, потенциально помогая эволюции жизни.

Ключевым компонентом для того, чтобы это произошло, считает он, является железо. Именно потому, что Дэн Фрост воссоздал процесс ковки алмаза из воздуха, он смеет это утверждать.

рост не разбогател от своего урожая; алмазы мучительно долго растут. «Если бы мы хотели получить двух или трёх-миллиметровый алмаз, мы должны были бы оставить его в реакторе в течение нескольких недель», говорит он.

Это не помешало ему экспериментировать с другими источниками для производства алмаза, однако; по приказу немецкого телеканала, он создал некоторые алмазы из богатого углеродом арахисового масла. «Много водорода был выпущено, разрушающего эксперимент», говорит он.

Сможет ли его институт делать искусственные алмазы, наделённые различными свойствами? Легированные бором алмазы становятся лучшими полупроводниками для электроники.

Использование других структур углерода в качестве сырья — в виде крошечных «нано трубок», например, — может сделать новый тип супер-сильного алмаза, более сложный, чем любой другой известный материал.

По большей части, однако, Фрост заинтересован в дальнейших тайнах истории Земли. «Мне интересно, как недра Земли взаимодействуют с поверхностью; каков возраст Земли. И если мы ищем другие обитаемые планеты, мы должны рассмотреть многие тайные процессы.» Жизненно важная работа, безусловно, требует жертв — немного арахисового масла и странных

Добыча алмазов, несомненно, достаточно прибыльный бизнес, который может поддержать экономику любой страны. Но тем не менее, наверняка многим предпринимателям хотелось бы снизить затраты на этих драгоценных камней и этим самым еще увеличить доход алмазодобывающей отрасли. А что, если возможно получать алмазы синтетическим способом из графита?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе двух материалов – и графита. Многие еще из уроков помнят, что эти два, казалось бы, таких разных материала целиком и полностью состоят .

Алмаз представляет собой обычно прозрачный кристалл, но может быть и синим, и голубым, и красным, и даже черным. Это самое твердое и прочное вещество на Земле. Такая твердость обусловлена особым строением кристаллической решетки. Она имеет форму тетраэдра, и все атомы углерода находятся на одном расстоянии друг от друга. Графит же темно-серый с металлическим отливом, мягкий и совершенно непрозрачный. Кристаллическая решетка графита расположена слоями, в каждом из которых молекулы собраны в прочные , однако между слоями связь молекул достаточно слабая. То есть, по сути, разница между алмазом и графитом заключается в различном строении кристаллической решетки.

Получение алмаза из графита

Как таковое превращение графита в алмаз возможно. Это доказали еще ученые ХХ века. В 1955 г. был представлен отчет компании General Electric и синтезированы первые алмазы, правда, очень мелкие. Первым осуществил синтез исследователь компании Т. Холл. Для достижения таких успехов было применено оборудование, позволяющее создавать давление в 120 тыс. атмосфер и температуру в 1800°С.

Группой ученых из Allied Chemical Corporation было осуществлено прямое превращение графита в алмаз. Для этого были использованы более экстремальные условия по сравнению с предыдущими методами. Для создания на 1 микросекунду предельного давления в 300 тыс. атмосфер и температуры в 1200°С применялось взрывчатое вещество огромной мощности. В результате в образце графита обнаруживалось несколько мелких частичек алмаза. Данные о результате эксперимента были опубликованы в 1961 г.

Однако это были не все способы получения алмазов из графита. В 1967 г. Р. Уэнторф вырастил первый алмаз на затравке. Скорость роста оказалась достаточно низкой. Самый крупный алмаз Р. Уэнторфа, изготовленный данным методом, достиг размера в 6 мм и веса в 1 карат (примерно 0,2 г).

Современные методы синтеза алмазов из графита

Современные технологии позволяют получать алмазы из графита несколькими методами. Алмазы синтезируются в условиях, максимально приближенных к природным, а также с использованием катализаторов. Производится наращивание кристаллов алмаза в метановой среде, а мелкую алмазную пыль для производства различных абразивов получают методом взрыва взрывчатых веществ или проволоки большим импульсом тока.

Источники:

• 1 Сравните строение алмаза и графита и их физические свойства: твердость, оптические свойства, электропроводность
• Народные изобретения, технологии - История и технология получения алмазов

Человек уже давно и близко знаком с таким веществом, как . Этот минерал обладает множеством полезных свойств, позволяющих применять его в самых разных областях, начиная с повседневной жизни и заканчивая сложными фабричными процессами.

Название «графит» произошло от , которое можно перевести с древнегреческого языка как «пишу», « ». Такое наименование обусловлено тем, что именно из графита изготавливаются стержни для карандашей, которые уже не одно помогают людям излагать свои мысли на бумаге, рисовать и делать наброски для живописных полотен. Цвет у графита темно-серый или серовато-черный, также это обладает характерным блеском, сродни металлическому.

Графит представляет собой одну из форм, которые может принимать углерод, в зависимости от того, каким способом связаны друг с другом атомы этого элемента. Графит очень хорошо проводит электричество и обладает высокой устойчивостью к тепловому воздействию, плавится он при температуре более 3500оС. Этот минерал слабо подвержен воздействию кислот, особенно при и средних температурах, а уровень его диамагнетизма существенно превосходит нормальные показатели.

Лучшее украшение для дома - это украшение, сделанное своими руками. Ведь вы вкладываете в него свою душу, силы, а результат всегда такой разный. Поэтому стоит узнать, как сделать алмаз из бумаги. Найти применение такой милой вещице довольно просто.

Объемный алмаз

Главное в вопросе о том, как сделать алмаз из бумаги объемным - это шаблон. Нужно распечатать его на бумаге. Лучше сразу на той, из которой хотите делать поделку. Вырежьте шаблон и проведите иголкой по всем линиям (это необходимо для того, чтобы проще было сгибать). Делайте это по линейке. Теперь, опираясь на фото готового результата, сгибайте вырезанную фигуру. Торчащие треугольники — это та часть, с помощью которой алмаз склеивается. Как видите, все довольно просто.

Это был не единственный способ создания объемного алмаза. Есть еще один, его шаблон даже чуть проще. Проделайте то же самое, что и в первом методе и приклейте части в виде трапеции к основанию алмаза (шестиугольник).

Еще один вариант использования объёмных алмазов - гирлянда. Для ее создания проделайте отверстия с двух сторон в каждой детали и протяните через них нить. На месте входа и выхода нити в алмаз сделайте узлы. Это предотвратит скатывание алмазов в одну кучу.

Октаэдр

Как алмаз сделать из бумаги проще? Распечатайте развертку октаэдра. Проведите иголкой по линиям сгиба и склейте в нужных местах. Издалека фигура вполне напоминает нужную вам.

Это подойдет, если вам необходимо создать что-то наподобие необычной алмазной занавески. Переводить предложенные выше шаблоны, проводить иголкой по каждой линии и собирать алмаз намного сложнее, чем октаэдр. А при большом количестве октаэдров создается как раз нужное впечатление!

Коробочка

Как сделать из бумаги коробочку «Алмаз»? Распечатайте предложенный шаблон. Розовым и оранжевым отмечены стороны самого алмаза, а белым - места, с помощью которых поделка склеивается. Шестиугольник - это крышка коробочки.

Для создания большой коробки в виде алмаза нужно:

• Листы ватмана.
• Золотая клейкая лента.
• Прозрачная клейкая лента.
• Ножницы.
• Линейка
• Карандаш.

Ход работы:

Оригами

Как сделать алмаз из бумаги в технике оригами:

Довольно сложная схема сборки. С первого раза может не получиться, но не отчаивайтесь и пробуйте дальше!

Теперь вы знаете, как сделать алмаз из бумаги. Одному экземпляру вы вряд ли найдете применение, но если сделать много разноцветных алмазов, то открывается большой простор для фантазии. Например, возьмите прозрачную вазу и наполните ее этими драгоценностями, или положите их в цветочный горшок. Выглядит очень мило и стильно. Не выбрасывайте шаблон, наверняка он вам еще пригодится. Ведь такое украшение разбавит любой скучный интерьер!