Как советский физик научил мир делать искусственные алмазы и зачем они нужны

Алмаз, как камень, обладающий исключительной прочностью известен человечеству многие столетия. Попытки создать искусственный алмаз, не прекращались с тех пор, как английский химик Смитсон Теннант в 1797 году уточнил, что алмаз состоит только из углерода. Дело оставалось за малым – понять при каких условиях углерод становится алмазом и создать такие условия, вот это никому долгое время не удавалось. Зачем люди стремились создать искусственный камень, кому удалось это сделать впервые и какую роль играли в этом ученые из СССР постараюсь рассказать в этом материале.

Конечно же, история будет не об украшениях, а о науке и технике.

Алмаз и бриллиант

Если верить ученым, алмазы на планете Земля появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, что автоматически делает их одним из древнейших минералов. Теорий возникновения несколько: это или результат контакта магмы и углеводорода или результат давления и высоких температур в недрах земли, долгое время воздействовавших на породы или столкновение и падение — метеоритов.

Первые алмазы были найдены на поверхности земли в Индии примерно 3 тысячи лет назад. Камню приписывали волшебные свойства, его не ограняли (во-первых, верили, что это навредит магии, а во-вторых, просто было нечем, самый твердый камень как-никак). Научились это делать примерно 1,5 тысячи лет назад, а огранка и шлифовка в современном нашем понимании, так и вообще появилась в 1910 году.

Огранять алмазы и украшать ими свои наряды начали в Европе в середине XV века, естественно это была прерогатива королей и богачей. Примерно в XVII веке алмазы стали встречаться и в России ими уже щедро украшали царские атрибуты, дарили в качестве ценности, однако, своего месторождения у нас долго не было. В 1829-1850 годах на Урале, часто в местах выработки золота находили единичные камни, это доказывало, что месторождения есть, но научное обоснование этого факта и открытие месторождения случилось при СССР в 1937 году.

Нужно отметить, что с развитием технологий, алмазы – из признака богатства и украшений для высшего сословия быстро перешли в статус стратегически важных элементов для развития промышленности, наукоемких производств, и ВПК. И если до этого момента попытки синтезировать алмаз были связаны в основном с желанием делать дешевые искусственные камни, чтобы выдавать их за дорогие - оригинальные в украшениях, то с тех пор как им нашли массовое применение в промышленности, появился дополнительный интерес. 

Перед началом Второй мировой в производстве в том числе и СССР активно использовались алмазы, известно было и то, что у СССР своих алмазов в достаточном количестве нет. Страна была вынуждена их закупать у Великобритании (поставки шли из африканских колоний). Мириться с таким положением дел руководство СССР, конечно же не желало, ведь в стране хорошо понимали, что разрешения на закупки могут быстро прекратиться, более того продажа отечественных алмазов неплохо оплачивала бы внешний долг, поэтому поиски своих месторождений активно продолжались.

Положение дел изменилось, когда открыли кимберлитовые трубки и Якутское месторождение, а именно 7 августа 1949 года Амакинская экспедиция министерства геологии СССР нашла первый алмаз на реке Вилюй, на косе Соколиная. Условно говоря – это стало новой эрой не только для алмазного промысла СССР, но и началом изменений всего мирового рынка. Но не все было так быстро и так просто, например интересна была роль «Де Бирс» (De Beers) в этих вопросах, но это тема уже отдельной статьи и скорее про маркетинг и мировые рынки сбыта, а не про ученых и их открытия.

Алмазы то не настоящие!

Теперь, когда мы немного разобрались с историей открытий алмазов - могу рассказать вам занятный эпизод, ради которого от части и была задумана эта статья.

Итак, на дворе начло 1938 года, опытный ученый Овсей Ильич Лейпунский остается без работы (по некоторым сведениям, он был уволен из Института химической физики за отказ осудить только что арестованного брата Александра). Он перебивается эпизодическими заработками, например, пишет обзорные и научные статьи в журналы.  Зная это, ему заказывают статью об анализе перспектив синтеза алмаза. Конечно же не случайно, еще до увольнения Лейпунский занимался химическими реакциями при высоких давлениях, он уже размышлял над термодинамическими параметрами, при которых могла бы возникнуть алмазная фаза.

Все эти теоретические изыскания в 1938 году вопрос не праздный, СССР нужны алмазы, а перспектива делать их, а не искать и не закупать за рубежом – кажется очень выгодной.

Так в 1939 году (запомним эту дату) в советском журнале «Успехи химии» появилась большая научная статья О.И. Лейпунского с теоретическим описанием того, какие условия нужны для синтеза алмаза и как это сделать на практике. Статья очень подробная с расчетами, графиками и таблицами.

«Перестройки в решетке алмаза начинаются с 1 700-1 800оС, и при этой температуре нет оснований ожидать, что решетка графита будет устойчивее. Поэтому температура в 2 000 К (1727оС) является минимальной для получения алмаза из графита в твердой фазе, причем опыт должен производиться при таком давлении, когда алмаз при этой температуре устойчивее графита, т. е. при давлении порядка 60 000 ат», – писал Лейпунский.

Лейпунский первым указывал, что необходимо соблюдение сразу трех условий:

• температура не менее 1400 К;

• давление не менее 42 500 атм;

• подходящая среда кристаллизации — жидкий металл, в котором растворяется графит, а также присутствие катализаторов.

В конце статьи ученый дает прогноз, который со временем в точности сбудется:

«Техника высоких давлений в настоящее время позволяет поддерживать в течение длительного времени давление 50 000 ат. Дальнейшее увеличение этого предела до 60 000-70 000 ат, по-видимому, осуществимо, хотя оно потребует очень большого труда при подборе соответствующих твердых сплавов. Нагрев графитовой массы до 2000 ℃ при большом давлении представляет меньшие трудности и может быть осуществлен изнутри (Бассэ, Лейпунский). Но все же опыт при 60 000-70 000 ат является опытом будущего, хотя, может быть, и весьма недалекого».

Статья была опубликована фактически случайно. Рукопись была принята к публикации, когда главный редактор журнала «Успехи химии» был в отпуске и его замещал В.В. Серпинский он в свою очередь получил выговор, за публикацию материала за авторством, в то время, не самого угодного власти Лейпунского. Не удивительно, что текст, как будто был абсолютно проигнорирован научным сообществом страны.

Из воспоминаний О.И. Лейпунского:

«Я пытался (с помощью академика А.Е. Ферсмана) заинтересовать Министерство нефтяной промышленности. Но на специальном совещании в Главке, ведающем бурением и твердыми материалами, было заявлено, что им не нужно алмазов. Тогда я, рассказав о моих результатах и планах Л.Ф. Верещагину, предложил ему написать совместную докладную записку во Всесоюзный Совет Народного Хозяйства об организации специальной лаборатории для изготовления алмазов. Ответа мы не получили, наступила предвоенная пора. Пришлось констатировать, что алмазами заниматься нельзя».

Смею предположить, что так получилось потому, что быстро доказать все написанное на практике не представлялось возможным, а значит и  дешевых искусственных алмазов здесь и сейчас никто не получит, а потом вообще началась война и было не до исследований. Так в Союзе надолго забыли об открытии.

Примечательно то, что только через 15 лет ученые получили искусственные алмазы в условиях, теоретически сформулированных Лейпунским. И это, как вы можете догадаться – не советские ученые.

К моменту, когда по расчетам Овсея был синтезирован первый алмаз он, давно занимаясь изучением ядерных взрывов. Был востребован и признан, разрабатывал современные виды твердого топлива для ракет. Он даже не знал, что за границей его статья была замечена и 17 февраля 1953 года шведским ученым наконец-то удалось успешно применить на практике все его теории и получить первые синтетические алмазы и в последствии начать торговать ими.

Шведские и американские алмазы

Первые, полученные искусственным путем алмазы, были весьма мелкими, дорогими в производстве и не подходили для ювелирных работ, но и они могли быть использованы, как абразивная пудра. Компания ASEA (Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget) наладила производство и стала получать заказы. О своем удачном опыте научному сообществу Шведы рассказывать не спешили, (думаю причины нам понятны) но торговля шла очень хорошо и долго не могла оставаться незамеченной. 16 декабря 1954 г. американская компания «Дженерал электрик» тоже синтезировала свои первые алмазы.

Что интересно, у американцев получалось нагнетать давление больше и кристаллы у них формировались тоже крупнее. Тихо печь камушки компания не собиралась, подход был основательный и они поспешили запатентовать свое достижение и вскоре стали получать огромные заказы.

По некоторым данным, применение алмазов позволяло увеличить производительность машиностроения примерно вдвое. Как мы понимаем патент был оформлен не случайно. Американцы стали давить на шведских производителей алмазов, препятствуя их торговле на мировом рынке. Шведы от заработка отказываться не планировали и в 1968 г. подали на американцев в Мюнхенский патентный суд.  Вы уже догадываетесь к чему они апеллировали?

Суд первый

Правильно! Шведы оспорили патент, предоставив доказательства, что метод был описан советским ученым задолго до того, как американцы его применили. Удалось им доказать и то, что американцы об этом знали, ведь в 1947 году выходила статья Бриджмена (ученый, который занимался разработками технологии по заказу «Дженерал электрик») в журнале «Кемикал Физикс», в которой была ссылка на исследование Лейпунского.

Американцы боролись до последнего и даже привлекли к делу независимого физика Бориса Водарда. Он сделал, якобы, объективное заключение о том, что по статье Лейпунского никакой реально эффективный пресс произвести было бы невозможно и хоть это было легко опровергнуть так или иначе шведы отозвали свой иск (видимо договорились) … Но подождите расстраиваться, это еще не конец истории.

Суд второй

Итак, иск отозван, алмазы продолжают пользоваться спросом на мировом рынке и в СССР уже начали трудиться над производством собственных. Так, в 1960 году советский химик Леонид Федорович Верещагин наконец, сумел получить первые советские искусственные алмазы. Правительство резко увеличило финансирование лаборатории Верещагина, ее преобразовали в Институт физики высоких давлений, также был создан Институт сверхтвердых материалов (директор В.Н. Бакуль), который разрабатывал технологию и инструментарий для применения алмазов в промышленности (шлифовально-полировальные диски, алмазные пилы, резцы, буровые коронки и т.д.). Производство идет хорошо и СССР начинает продавать их за рубеж, в первую очередь, в ФРГ. И вот тут Америка вновь вспоминает про свой патент. В декабре 1969 г. уже «Дженерал электрик» подает на СССР все в тот же Мюнхенский патентный суд. Просят взыскать штраф за торговлю искусственными алмазами в стране, в которой действует американский патент. В начавшемся международном скандале вновь вспомнили о О.И. Лейпунском и попросили его провести экспертизу производства.

Встретив сопротивление с советской стороны в форме экспертного заключения, которое составил О.И. Лейпунский, и утвердила Академия наук, американцы отступили, и продажи наших алмазов в ФРГ возобновились. А в СССР О.И. Лейпунскому наконец-то выдали диплом об открытии.

«Экономический эффект от их использования в народном хозяйстве превышает миллиард рублей <порядка миллиарда долларов> в год. Хотя сказанное достаточно известно, возможно, лишь специалисты знают, что в успехе решающую роль сыграли приоритетные для советской науки работы физика профессора О.И. Лейпунского».

Из статьи в газете «Правда» от 26 июня 1984 г.

Вот такая вот история одного открытия! А что же о сферах применения алмазов в СССР и сегодня?

Технические алмазы и зачем они вообще были нужны

Началось все как всегда с промышленности и военной техники…

Что алмазы не только магические обереги и дорогие украшения задумывались давно, но впервые инструмент с использованием минерала начал широко применяться в промышленности лишь в 30-х годах ХХ века.

Сначала это были порошки и пасты для шлифовки оптики, а потом все росло как снежный ком. Например, немецкая компания «Крупп» создала материал WIDIA (сплав карбида вольфрама и кобальта). Материал использовался для изготовления инструментов для резки твердых сталей, позволял делать это быстрее и точнее, чем раньше. Затачивать резцы из WIDIA можно было только алмазным инструментом. Примерно в те же годы алмазный инструмент начинают применять для "финишного Вид абразивной обработки конических и цилиндрических поверхностей, который позволяет устранять шероховатости на поверхности заготовок, корректировать их геометрическую форму и повышать точность их габаритных размеров. </p>" data-abbr="хонингования">хонингования", позволяющего увеличивать ресурс поршневых двигателей внутреннего сгорания в несколько раз. Эти и другие технологии привели к тому, что к началу 40-х годов мировая добыча технических алмазов в три с лишним раза превосходила объемы 1933 года. Впервые объем продаж технических алмазов по стоимости стал сравним с объемом продаж алмазов ювелирных.

В СССР эти технологии распространились во многом благодаря закупленной в Германии большой партии оборудования для заводов Москвы и Ленинграда в 1936 году. Для заточки резцов, правки шлифовальных кругов и т. п. использовался алмазный инструмент, без него работа была невозможна. Эффективность алмазного инструмента была революционной:

«Если инструментом из самых твердых сплавов можно обработать 40 деталей из магниевой бронзы, то алмазный резец в состоянии обработать 3000 таких же деталей, или почти в 80 раз больше. При обработке сплавов с большим содержанием кремния это соотношение выражается уже как 6 к 300 и показывает, что алмазный резец может обработать в 5000 раз больше деталей, чем резец, сделанный из твердого сплава».

 К 50-м годам алмазы в СССР использовались в более, чем 10 инструментах (из монографии «Алмазные инструменты для машиностроительных заводов»):

1. Алмазы карбонадо используются для бурения горных пород;

2. Алмазы для различных испытательных приборов, в том числе: для наконечников к приборам Роквелла, для пирамид к приборам Виккерса весом 0,21–0,3; 0,31–0,4; 0,41–0,5; 0,51–0,6 карата в каждом сорте (для приборов типа Роквелл дополнительный размер 0,18–0,2 карата) и для наконечников к приборам Шора весом 0,15–0,25 карат.

3. Алмазы для резки стекла с использованием естественных режущих ребер.

4. Алмазы для правки шлифовальных кругов.

5. Алмазы удлиненной формы для изготовления резцов, сверл, игл и других инструментов, различного веса.

6. Алмазы удлиненной формы для изготовления выборочных сверл (пойнтс пиленый или колотый, натуральный).

7. Алмазный борт: для мелкоалмазных буровых коронок; для алмазно-металлических карандашей; для обработки волок, технических камней, кварца, оптического стекла; для изготовления алмазной пудры.

8. Алмазная пудра (алмазные порошки) различной зернистости.

9. Алмазы для накладных камней к хронометрам.

10. Алмазы для изготовления резьбошлифовальных инструментов.

11. Алмазы для правки специальных шлифовальных кругов.

Со временем перечень отраслей и инструментов, где стали массово использоваться алмазы рос, теперь это: медицинские лазеры, приборы для коррекции зрения, приборы для исследования космического пространства, буры для сверхглубоких скважин, создание поверхностей высокой чистоты в металлургии и машиностроении, оборудование для производства микропроводов постоянного сечения, создание износостойких алмазных покрытий для нелинейных поверхностей и конечно же нужды ИТ.

Так, например, высокая твёрдость алмаза позволяет использовать его при создании микрочипов. С их помощью можно повысить вычислительную мощность техники, не повышая цены на сами приборы. А за счёт высокой теплопроводности и подвижности электронов, можно вообще удваивать мощность компьютеров каждые пару лет.

Кроме того, наличие атомов азота в структуре алмаза делает этот материал ценным для исследователей, изучающих квантовые вычисления. С его помощью можно имитировать электрические компоненты в вычислительных процессах. Более того, термические свойства алмазов позволяют проводить эксперименты при комнатной температуре без криогенных лабораторий. Стоимость таких экспериментов снижается в несколько раз.

Алмазы, выращенные в лаборатории, используют во многих научных сферах и с каждым годом их количество возрастает.

А что сегодня?

Сегодня мир продолжает открывать возможности этого удивительного минерала.

Если на протяжении всей статьи мы говорили об алмазах искусственных и натуральных, то сейчас терминологию приходится расширять, ведь в лаборатории алмазы искусственные уже давно получают не одним способом: методом HPHT (высокая температура и высокое давление – то что предложил советский ученый Овсей Лейпунский) но и методом CVD (химическое осаждение из паровой фазы) – метод имитирующий образование алмазов в межзвездных газовых облаках и позволяющий всерьез заняться вопросом выращивания алмазов в целях развития микроэлектроники и квантовых технологий. К слову, природные алмазы в принципе не могут быть использованы в микроэлектронике, современных лазерах и т.д. в них слишком много изъянов. Кстати интересная статья о том как в наши дни в Сестрорецке выращиваются алмазы – тут.

Сегодня ученые со всего мира пытаются изобрести как можно более тонкую алмазную пленку, ожидается, что она сможет заменить редкоземельные металлы при производстве плат. Специалисты пытаются полировать тончайшие алмазные пластины, производят алмазы определенных форм для создания квантовых сетей, экспериментируют с кристаллической решёткой минерала заменяя атомы углерода атомами кремния. Перспективной считается возможность применения алмазов, например, в качестве регистров и ячеек памяти в квантовых компьютерах или источников одиночных фотонов. Это может в разы повысить эффективность устройств передачи информации и улучшить системы квантового шифрования.

Активно работают ученые и над созданием алмазов по точно заданным параметрам и характеристикам (чистота, размер, форма и т.д).

Удивительно как с течением времени этот минерал открывает человечеству все больше возможностей. От простого, не ограненного амулета он прошел путь до элемента квантовых систем, за которыми цифровое будущее человечества. Немалый вклад в это внесли и советские ученые.

 При подготовке текста использовались: