Где «пекут» алмазы

Сибирские учёные научились создавать кристаллы с уникальными свойствами

Искусственно созданными кристаллами сегодня никого не удивишь: так, синтетические корунды — рубины и сапфиры — в промышленных масштабах производят с середины прошлого века. Но изготовить алмаз с заданными параметрами, который может применяться, к примеру, в квантовой электронике, — задача не из легких. Еще сложнее пустить такие кристаллы в серию, чтобы необходимые заданные свойства повторялись.

Про то, что алмаз — самый твердый минерал, слышал, наверное, любой, даже далекий от геологии и минералогии человек. Про то, что путем огранки из алмазов получаются бриллианты, тоже. Но вот про то, что эта разновидность химического элемента углерода образуется при высоких температурах и огромном давлении, слышали уже немногие. Равно как и о том, что алмаз можно вырастить в лабораторных условиях. И научились этому достаточно давно.

Вглубь на 200 километров

Первые отечественные синтетические алмазы были получены в 1958 году. Конечно, в перстень такой камень было вставить проблематично — качество не то. Но лиха беда начало. Первые образцы ювелирного качества смогли получить лишь две пятилетки спустя, в 1968 году.

Знаменитая установка БАРС в разрезе: внутри нее моделируют процессы, подобные тем, что происходят в мантии планеты Земля на глубине 200 километров. Фото: igm.nsc.ru

Технологии получения сегодня существуют разные. Основная, ввиду относительно невысокой стоимости, — при помощи высокого давления и температуры. В Институте гео­логии и минералогии СО РАН имени Соболева еще в 1989–1991 годах была разработана, пожалуй, наиболее совершенная установка для выращивания кристаллов алмазов — беспрессовая аппаратура высокого давления «Разрезная сфера», или БАРС.

— В среднем рост кристалла происходит в течение 100 часов при температуре 1500 градусов и давлении 50 тысяч атмосфер, — рассказывает заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук Юрий Пальянов. — Мы занимаемся экспериментальным моделированием процесса образования природных алмазов, подобные процессы происходят в земной мантии на глубине примерно 200 километров. А также выращиваем кристаллы с заданными свойствами.

Дело не только в красоте

Где же применяются синтетические алмазы?

В принципе, там же, где природные камни. Если качество кристалла, как говорится, не очень — он маленький, мутный, имеет включения, некрасивого цвета, то используют его абразивные свойства. Производят алмазный инструмент, шлифовальные круги, пасты и так далее. Если кристалл чистый и красивый, скорее всего, его огранят и вставят в ювелирное изделие.

Так выглядят алмазы, выращенные в Институте геологии и минералогии СО РАН. Фото: Юлия Назаренко

Но в определенных условиях синтетические алмазы приобретают уникальные качества, которые позволяют применять их в различных высокотехнологичных приборах и установках. Это, например, теп­лопроводность, термическая и радиационная стойкость, оптические и полупроводниковые свойства.

— Каждый природный алмаз уникален, иными словами, обладает разным набором свойств, — отмечает Юрий П­альянов. — Мы же научились растить кристаллы с заданными параметрами и сумели определить условия, которые позволяют минимизировать дефекты в кристаллах, такие как, например, включения и микротрещины. Также у нас получается растить алмазы с разными свойствами — например, при легировании бором кристаллы приобретают свойства полупроводников. Максимальный размер кристаллов, которые мы научились делать, — шесть карат.

Шесть карат — это солидно. Бриллиант такого веса имеет примерно сантиметр в диаметре, даже чуть больше.

Сырьё для квантовой электроники

— Для использования в высокотехнологичных приборах нужны воспроизводимые партии кристаллов, — подчеркивает исследователь. — Мы впервые получили алмазы из различных экзотических сред, в частности из расплавов германия, олова, сурьмы, меди. Также нами созданы кристаллы-полупроводники, обладающие свойством N-проводимости — в природе таких не существует. Они получены из расплава фосфора и углерода.

По словам Юрия Пальянова, сегодня алмаз рассматривается как один из перспективных материалов для квантовой электроники. Для этого необходимо в структуру кристалла встроить такие достаточно крупные примеси, как кремний, германий, олово. Еще более перспективными с точки зрения получения искусственных алмазов с уникальными свойствами оказались расплавы редкоземельных металлов. Из таких расплавов можно получать кристаллы без примесей азота. Кроме того, такие алмазы можно легировать кремнием, германием и оловом. Сейчас ученые ИГМ СО РАН продолжают исследования совместно с Российским квантовым центром.

Алмазные скальпели производят наши соседи, барнаульцы. Их продукция востребована в хирургии. Преимущество такого инструмента в том, что режущий слой составляет 4-10 нм, ‏‎раздвигает молекулы не повреждая их. Фото: архив ИД

Но квантовые технологии, которые, как предполагают ученые, позволят, к примеру, значительно увеличить эффективность методик передачи сведений и улучшить системы шифрования квантов, — это все-таки дело будущего. Между тем алмазы, выращенные в новосибирском Академгородке, активно используются уже сегодня. Например, барнаульский завод «Кристалин» выпускает с их применением особо острые микрохирургические скальпели с алмазным лезвием для офтальмологии и нейрохирургии. Уже произведено более восьми тысяч подобных изделий. А новосибирское предприятие «Симекс» изготавливает инфракрасные фурье-спектрометры с искусственными алмазами. С помощью этих приборов можно производить экспресс-анализ на наличие взрывчатых веществ, наркотиков и так далее. Более 250 таких спектрометров уже стоят на службе в силовых структурах.

Кроме того, из синтетических алмазов изготавливают элементы рентгеновской оптики. Из них же сделали алмазные окна и пробные образцы алмазных наковален для экспериментальной станции «Микрофокус 1.1» Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ. — Прим. авт.), который строится под Новосибирском.

Производят немало, но аналогов нет

Что же экономически целесообразнее: добывать природные алмазы или выращивать искусственные в промышленных масштабах? Напомним, в свое время в СССР было 11 заводов, которые производили алмазные порошки для режущих инструментов и других целей. Но после распада страны большинство из них остались за границей. Сегодня безусловным мировым лидером по производству искусственных алмазов является Китай. Но практически вся его продукция идет на производство абразивов и ювелирных изделий, как и природные алмазы.

— Нашим искусственным алмазам нет аналогов, — подчеркивает Юрий Пальянов. — Скажем так, подобное в мире вообще мало кто умеет делать. Кристаллы со специальными свойствами надо получать и изучать. Но мы, безусловно, нацелены на высокотехнологичное применение таких алмазов.