Починаючи з середини 1950-х років алмаз почали одержувати штучно з графіту. І алмаз, і графіт — це різні форми одного і того ж елемента — вуглецю[6]. Синтетичні алмази також відомі під назвами HPHT-алмази та CVD-алмази, що отримали назву від двох популярних методів їх виробництва. HPHT розшифровується як високий тиск і температура (англ.high-pressure high-temperature), а CVD — хімічне осадження з пари (англ.chemical vapor deposition). Ці два методи домінують у виробництві синтетичних алмазів. Третій метод, відомий як синтез з підривом, став використовуватися в кінці 1990-х. Синтетичні та природні алмази є однаковими за фізичними властивостями й кристалографією. Станом на 2011 рік близько 97 % алмазів (за масою), що використовуються у промисловості — синтетичні.[7]
Походження
Міжнародна група дослідників з'ясувала, що найцінніші алмази утворилися в особливих умовах: серед «ванн» з розплавлених металів. Тому вони перемішувалися з ними, що в звичайних умовах формування алмазів практично ніколи не трапляється[8][9].
Старовинна українська назва алмазу адама́нт (від грец.ἀδάμας — незламний, непорушний)[10]. У науковій літературі українською мовою під назвою «адамант» алмаз уперше описаний в лекції «Про камені та геми» Феофаном Прокоповичем, яка була прочитана в Києво-Могилянській академії в 1705–1709 роках.
На думку стародавніх індусів алмази утворюються з п'яти першоелементів: землі, води, неба, повітря і енергії. При цьому алмази поділялися на чотири класи (варни): брахмани (безколірні і білі, шестивершинні); кшатрії (камені з червоним відтінком); вайшьї (зеленуваті); шудри (сірі і чорні).
Легенди та повір'я пов'язані з алмазами описав Пліній Старший у «Природній історії викопних тіл».
У Середньовіччі були створені спеціальні книги про походження, магічні і цілющі властивості різних каменів — лапідарії. Алмаз вважався каменем мужності, твердості, дарував перемогу над ворогами, гостроту розуму, охороняв від журби та чаклунства, злих духів.
На ранньому періоді історії розробки алмазних родовищ в Південній Африці вважалось вигідним розводити домашню птицю. Птахи порпались у відвалах гірських виробіток і, побачивши блискучі зерна, проковтували їх. Зоб кожної зарізаної птахи уважно оглядали, сподіваючись побачити дорогоцінний кристал. Так у зобі одного голуба, вбитого на території алмазного родовища, було виявлено 23 алмази масою 5,5 карата. В Російських газетах ІІ половини XIX ст. повідомлялось про уральську курку, яка «знесла» діамант.
Підробки діамантів, які зовнішньо важко було відрізнити від справжніх каменів, виготовлялися із свинцевого скла з кін. XVIII ст. Вони відомі під назвами «стрази» і «тетовські діаманти»
Елементарна комірка просторової кристалічної ґратки алмазу є гранецентрований куб з 4 додатковими атомами, розташованими всередині куба, на 1/4 великих діагоналей. Розмір ребра елементарної комірки а0=0,357 нм (при t=25О °C і Р=1 атм). Найкоротша відстань між двома сусідніми атомами с = 0,154 нм. Атоми вуглецю в структурі алмазу утворюють міцні ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, скеровані під кутом 109o28' відносно один одного. Алмаз — один із найтвердіших матеріалів, відомих людству.(Фулерити, або фулерони наприклад)
Морфологія алмазу
Кристали мають форму октаедра, ромбододекаедра, куба і тетраедра з гладкими і пластинчато-східчастими гранями або округлими поверхнями, на яких розвинені різноманітні акцесорії. Характерні пласкі, довгасті та складні кристали простої і комбінованої форм, двійники зростання і проростання, паралельні і довільно орієнтовані зростки, піраміди росту.
Хімічний склад
У алмазі присутні домішки Si, Al, Mg, Са, Na, Ва, Mn, Fe, Cr, Ti, В та ін. елементів[11]. Азот є головною домішкою, що найбільше впливає на фізичні властивості алмазу. Кристали алмазу, непрозорі до УФ випромінення, називаються алмазами І типу; всі інші належать до типу II. Вміст азоту в переважній більшості кристалів алмазу, що належать до типу І, становить близько 0,25 %. Рідше зустрічаються безазотні алмази, що належать до типу II, в яких домішки азоту не перевищують 0,001 %. Азот ізоморфно входить в структуру алмазу і утворює самостійно або в сукупності із структурними дефектами (вакансіями, дислокаціями) центри, відповідальні за забарвлення, люмінесценцію, поглинання в УФ, видимій, інфрачервоній і мікрохвильовій областях, характер розсіювання рентгенівських променів та ін.
Більша частина алмазів зустрічається в природі у вигляді окремих добре сформованих кристалів або їх уламків. Переважають октаедри, ромбододекаедри та куби, а також їх комбінації. Це кристали з рівними плоскими гранями. Іноді зустрічаються кривогранні, округлі кристали, в деяких родовищах вони навіть переважають. Часто кристали алмазу зростаються, або ніби проростають один в одного, утворюючи відповідно так звані двійники зростання і проростання.
Зазвичай розміри алмазних зерен — від часток міліметра до 0,5–1 см в поперечнику, але зустрічаються і дуже крупні кристали.
Густина алмазу становить 3,5-3,53 г/см3. Алмази можуть бути безбарвними або з ледве помітним відтінком, а також яскраво забарвленими в жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, блакитний, синій, молочно-білий і сірий (до чорного) кольори. При опроміненні зарядженими частинками алмаз набуває зеленого або блакитного кольору. Зворотний процес — перетворення забарвленого алмазу в безбарвний — досі не вдалося провести. Поверхня алмазів з найдавніших родовищ (вік яких перевищує 1 млрд років) має зелене забарвлення, яке зникає при механічній обробці кристалу.
Більшість природних алмазів безбарвні, але бувають камені найрізноманітніших кольорів та відтінків. Найчастіше зустрічаються алмази зі слабким жовтуватим відтінком, а також зеленкуваті. В родовищах Південної Африки трапляються бурі алмази; за рахунок значних домішок аморфного вуглецю вони можуть набувати цілковито чорного кольору. Рожеві, рубіново-червоні та сині алмази дуже рідкісні. Щодо алмазів сапфірово-синього кольору, то це — явище виняткове, і цінуються вони дуже високо.
Для алмазу характерні сильний блиск, високий показник заломлення (n=2,417) і сильно виражений ефект дисперсії (0,063), що зумовлює різнокольорову гру світла в діамантах. Як правило, в кристалах алмаз виявляє аномальне двопроменезаломлення через напруження, яке виникає у зв'язку зі структурними дефектами і включеннями. Кристали алмазу прозорі; напівпрозорі або непрозорі в залежності від насиченості мікроскопічними включеннями графіту, інших мінералів і газово-рідких вакуолей. При освітленні УФ променями значна частина прозорих і напівпрозорих кристалів алмазу люмінесціює синім, блакитним і рідше жовтим, жовто-зеленим, оранжевим, рожевим і червоним кольорами. Кристали алмазу (за рідкісним винятком) люмінесціюють під дією рентгенівських променів. В алмазах проявляється також електро-, трибо- і термолюмінесценція.
Чиста поверхня алмазу має високу гідрофобність (крайовий кут — 105—104o), але в природних умовах алмаз покривається тонкими плівками, що підвищують його гідрофільність. Алмаз з чистою поверхнею гідрофобний, тобто не змочується водою.
Температура плавлення алмазу становить 3700…4000 °C за тиску 11 ГПа[12]. На повітрі алмаз згорає при 850—1000 °C, а у струмені чистого кисню горить блідо-блакитним полум'ям при 720—800 °C, з утворенням вуглекислого газу. При нагріванні до 2000 °C без доступу повітря алмаз спонтанно за 15…30 хвилин переходить у графіт й вибухоподібно руйнується на дрібні частинки.[13]. За температур понад 2000 K зміна термодинамічних характеристик алмазу (теплоємність, ентальпія) зі зростанням температури набуває аномального характеру[14].
Використання
Використовують алмази для виготовлення абразивних та різальних інструментів, при бурінні, в ювелірній справі (див. діамант). Вагу алмазів вимірюють каратами.
За останніми дослідженнями в Україні виявлені дві перспективні ділянки щодо знаходження алмазоносних кімберлітів, які розташовані у Східному Приазов'ї (Донеччина, Тельманівський район та ін.) і на Волині (Рівненщина, с. Кухітська Воля).
На Вінниччині виявлені алмази в Тиврівському районі, в алювії Дністра, в пісках на території Оратівського та деяких інших районів. Це зерна розміром від 0,1 до 1-2 мм, принесені древніми потоками з корінних джерел, місце розташування яких досі невідомо. Значна кількість знахідок алмазів і їх мінералів-супутників свідчать про цілком реальну можливість виявлення корінних родовищ. На сьогодні достовірно відома тільки природа алмазів, що зустрічаються поблизу Липовця. Вони утворилися саме тут десятки або сотні мільйонів років тому в результаті падіння величезного метеорита.
«Альєнде» (125 каратів, знайдено в Якутії 1973 року);
арканзаський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родовищ штату Арканзас, США);
богемський (1. Дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з Чеського масиву. 2. Торговельна назва кришталю гірського з Чехії);
бріансонський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць м. Бріансона, Франція);
бристольський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з англійських родовищ);
«Валентина Терешкова» (прозорий з незначним жовтим відтінком, 51,66 карата, знайдено 1963 року в Якутії, названо на честь першої жінки космонавта Валентини Терешкової);
«Кохінур» (з Індії, відомий з 1304 року, 793,5 карата; після першої огранки мав 186,1 карата, після другої — 106,1 карата);
«Кулінан» (найбільший з відомих алмазів з первинною вагою 3106 каратів, знайдено 1905 року на копальні «Прем'єр» у Південній Африці);
лейк-джорджський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць міста Лейк-Джордж, штат Нью-Йорк, США);
ліппський (з околиць м. Ліпова — колишнє м. Ліппа, Румунія);
«Літній» (46,36 карата, знайдено 1966 року в Якутії);
«Марія» (1966 р.,з родовищ Якутії-Сахи, 105,98 карата)[15].;
мармароський (те саме, що діамант мармароський — гірський кришталь, що трапляється у Східних Карпатах);
матарський (торговельна назва циркону з родовища Матара, о. Шрі Ланка);
медокський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. округа Медок, Канада);
«Надія» (найвідоміший кольоровий діамант, 45,52 ct вагою синій діамант. З Індії, де був найдений, його привіз Ян Баптист Таверньєр 1642 році)
невадський (штучно знебарвлений обсидіан з родовища штату Невада, США);
Орлов (діамант) (прозорий з ледве помітним зеленувато-синюватим відтінком; в ограненому вигляді 194,8 карата; знайдений у Голконді, Індія на початку 17 ст.; первісно — 400 каратів);
«Південна зірка» (в ограненому вигляді 125,5 карата, знайдено 1853 року в Бразилії, до огранки — 254,5 карата);
«Пітт» (те саме, що алмаз «Регент»);
«Регент» (в ограненому вигляді 136,9 карата, знайдений в 1701 р. в Індії);
рейнський (торговельна назва гірського кришталю з Німеччини);
сибірський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. Уралу і Сибіру);
сірчистий (зайва назва піриту);
«Сталінградський» (з Якутії, 166 каратів);
східний (застаріла та торговельна назва безбарвного корунду);
«Сторічний» (виявлений в липні 1988 року — на 100-річний ювілей відомої алмазодобувної і обробної фірми De Beers. У первинному вигляді важив 599,10 карат);
Карове АК6 (найбільший з відомих алмазів після «Кулінана» з первинною вагою 1111 каратів, знайдено на копальні «Карове» у Ботсвані 16 листопада 2015 року).
Синтетичні алмази одержують шляхом кристалізації розчину вуглецю в розплавах металів та сплавів після екстремального стискування реакційної суміші в герметичній неметалевій чарунці та нагрівання до високих температур. Розплав із вуглецем утворюється при нагріванні до 1450…2000 за рахунок пропускання електроструму. Синтез алмазу шляхом перебудови графітової шарової структури карбону в щільну алмазну відбувається за величезного тиску й температури.
Перший синтез алмазу здійснено в лабораторії фірми ACEA у Швеції (1952), а потім в лабораторії компанії «General Electric» у США (1953). На основі досліджень, проведених в Інституті фізики високих тисків АН СРСР під керівництвом Л. Ф. Верещагіна у 1960 році українські вчені у 1961 році в Інституті надтвердих матеріалів АН України (Київ) під керівництвом В. М. Бакуля розробили ефективну промислову технологію синтезу штучних алмазів. У ЦКТБ твердосплавного й алмазного інструменту було здійснено випуск перших 2000 каратів штучних алмазів; з 1963 року налагоджено їхнє серійне виробництво[16].
Прямий фазовий перехід графіт → алмаз зафіксовано на початку 1960-х років за умов ударно-хвильового навантаження за характерним зламом ударної адіабати графіту[17]. У 1961 році з'явились перші публікації дослідників компанії «DuPont» про отримання алмазу (розмір до 100 мкм) методом ударно-хвильового навантаження з використанням енергії вибуху (цей метод було реалізовано у 1975 році в Інституті надтвердих матеріалів АН України[18][19][20]). Відомою є також технологія отримання алмазів методом детонаційоного навантаження в умовах вибуху деяких вибухових речовин, наприклад, троти́лу, з негативним кисневим балансом[21], при якому алмази утворюються безпосередньо з продуктів вибуху. Є найдешевшим способом отримання алмазів, однак, «детонаційні алмази» є надзвичайно дрібними (до 1 мкм) й придатні лише як абразиви та напилення[22].
Українським ученим по праву належить пріоритет у встановленні особливих умов синтезу дрібних порошкових алмазів, одержанні щільних полікристалів та вирощуванні великих прозорих досконалих монокристалів розміром 5…10 мм[10].
↑Donald W. Olson (March 2013). 21.2 Diamond, industrial(PDF). 2011 Minerals Yearbook(англ.). USGS. Архів оригіналу(PDF) за 5 березня 2016. Процитовано 17 жовтня 2013. , synthetic diamond accounted for about 97% by weight of the industrial diamond used in the united states and about 97% by weight of the industrial diamond used in the world during 2011.
↑р, Т-Діаграма плавлення алмазу та графіту з врахуванням аномальності високотемпературної теплоємності // Андреев В. Д.Избранные проблемы теоретической физики. — К.: Аванпост-Прим,. — 2012.
↑Алмаз Украины: Пятидесятилетие работы Института сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля (1961—2011 гг.) / Нац. акад. наук Украины ; Под общ. ред. акад. НАН Украины, д-ра техн. наук, проф. Новикова Н. В. — К. : Азимут-Украина, 2011. — 448 с. — ISBN 978-966-1541-17-6
↑Бакуль В. Н., Андреев В. Д. Алмазы марки АВ, синтезируемые взрывом. //Синтетические алмазы, 1975, вып. 5 (41), С. 3-4
↑Андреев В. Д. О механизме образования алмаза при ударном нагружении. //Синтетические алмазы, 1976, вып. 5 (47), С. 12-20
↑Лукаш В. А. и др. Методы синтеза сверхтвёрдых материалов с помощью взрыва. //Синтетические алмазы,1976, вып. 5 (47), С. 21-26
↑Волков К. В., Даниленко В. В., Елин В. И. //Физика горения и взрыва, 1990, вып. 26, т. 3, С. 123—125
↑Новиков Н. В., Богатырева Г. П., Волошин М. Н. Детонационные алмазы в Украине // Физика твёрдого тела : журнал. — 2004. — Т. 46, вип. 4. — С. 585-590.