Техника

Библиотека

наука

Современные технологии и производство

Детская энциклопедия
оглавление

Откуда берутся алмазы

Зачем нужны алмазы?
Алмаз - это самый драгоценный камень, и многие уверены, что алмазы нужны только для украшений. Это ошибка. Алмазы нужны прежде всего для обработки металлов. И поэтому 3/4 (если не больше) добываемых на Земле алмазов использует промышленность. Алмазный бур сверлит твердые горные породы быстрее любого другого. Шлифовальные круги с алмазной крошкой шлифуют металлы быстрее и чище других шлифовальных кругов. Алмазными инструментами можно обрабатывать Твердые сплавы, которые не берет никакая сталь, природные и искусственные кристаллы и драгоценные камни. Одним словом, алмазы совершенно необходимы современной технике.

Алмазные трубки и россыпи.
Самый твердый на Земле минерал алмаз образовался в ее недрах, когда раскаленная магма миллионы лет назад прорывала земную кору сквозь толщу богатых углеродом пород. Эти прорывы похожи на жерла вулканов; геологи называют их трубками взрыва, потому что магма извергалась из недр подобно взрыву.

Некоторые из этих трубок заполнены похожей на глину породой голубоватого цвета; По имени Кимберли - места в Южной Африке, где ее впервые обнаружили,- голубоватую глину назвали кимберлитом. В ней и находят алмазные кристаллы.

Долгое время алмазоносные кимберлитовые трубки были известны только в Южной Африке. Лишь осенью 1954 г. советские геологи нашли кимберли-товую трубку в непроходимой якутской тайге. После этого и Якутии было найдено еще много алмазоносных трубок, и сейчас Советская Якутия - всемирно известный район промышленной добычи алмазов.

В Бразилии, в Индонезии, в Австралии в Африке и у нас на Урале алмазы находят и по берегам рек, в каменных россыпях (см. т. 1 ДЭ, ст. "Как ищут месторождения полезных ископаемых").

Добывают алмазы чаще всего открытым способом. Только в Южной Африке сохранились еще алмазные копи - глубокие шахты, построенные на кимберлитовых трубках. Чтобы добыть 1 кг алмазов, нужно переработать в среднем 20 тыс. т породы.

Что такое алмаз? По химическому составу алмаз то же самое, уголь или графит. Разница, однако, есть: атомы углерода сложены в угле, графите и алмазе по-разному. Именно благодаря этому различию алмаз - твердейший из материалов, созданных природой. Люди издавна стремились понять, как устроен алмаз.

Алмазы, добытые в Якутии, в районе месторождения "Трубка мира".

0540-1.jpg

Но только к концу XIX в. условия "задачи об алмазах" вырисовывались уже довольно четко. Если пользоваться способом, принятым в учебниках по геометрии, то записать их можно примерно так:

Дано:
Первое. Уголь, графит и алмаз - это одно и то же, один и Тот же химический элемент - углерод.
Второе. Углерод упакован в алмазе плотнее, чем в графите, а в графите - плотнее, чем в угле. Только этим можно объяснить, что относительные плотности этих веществ различны (3,5-2,2-1,3).
Третье. Углерод-алмаз можно превратить в углерод-графит. Л Спрашивается: Если алмаз можно превратить в графит, то нельзя ли графит превратить в алмаз? Можно, но для этого надо воспроизвести природные условия рождения алмаза - очень высокую температуру и колоссальные давления. Какие именно?

Ответ на этот вопрос нашел советский физикохимик О. И. Лейпунский в 1939 г.: не меньше 2000° С, не меньше 6 ГПа. Однако никаких искусственных алмазов в то время получить не могли: техника 40-х годов не располагала возможностями для достижения таких температур и давлений.

Как сделать алмаз?
Сегодня такая техника уже есть. В мощный пресс ставят особое устройство - камеру высокого давления. Попросту говоря, коробочку, сделанную из самого твердого и тугоплавкого сплава, способного выдержать очень высокие давления при очень высоких температурах. В коробочку закладывают нечто вроде бутерброда из графита и никеля или графита и железа. Туда же подводится и электричество, чтобы с его помощью нагревать камеру с "бутербродом". Когда давление в камере достигает примерно 10 ГПа, а температура - около двух тысяч градусов, в тонкой пленке между расплавленным металлом и графитом появляются первые кристаллики - искусственные алмазы.

Первые синтетические алмазы в СССР были изготовлены в 1960 г. в Москве, в Институте физики высоких давлений, под руководством академика Л. Ф. Верещагина.

А вскоре в Киевском институте сверхтвердых материалов под руководством В. Н. Бакуля было создано промышленное оборудование для синтеза алмазов и налажен их массовый выпуск.

Синтетические поликристаллы алмазов.

0540-2.jpg

Алмазная пила с внутренней режущей кромкой.

0540-3.jpg

Институт сверхтвердых материалов - это одновременно и научное учреждение, и завод. Открытия, сделанные в его лабораториях учеными, подхватывают инженеры, которые конструируют необходимые аппараты и организуют новое производство. Здесь делают и штучные алмазы - для буровых коронок и стеклорезов, но главное - алмазные порошки и пасты.

Эти порошки и пасты необходимы для окончательной шлифовки, доводки, притирки наиболее точных деталей различных механизмов. Особенно если эти детали сделаны из природных алмазов, рубинов, сапфиров, или из титановых и вольфрамовых сплавов, или из керамики и стекла. Нельзя обойтись без алмазных порошков и при обработке основных полупроводниковых материалов - кремния и германия.

Сейчас в нашей стране есть и другие предприятия, на которых делают искусственные алмазы. Так что промышленность Советского Союза и братских социалистических стран уже не испытывает недостатка в алмазах - фабрики и заводы могут получить столько алмазов, сколько им нужно. Инструменты с искусственными алмазами - буровые коронки, шлифовальные круги, фильеры для протяжки тонкой проволоки (например, для спиралей электрических лампочек), пилы для особенно твердых и ценных материалов становятся привычными и необходимыми на заводах и фабриках.

А ученые идут дальше. В последние годы в СССР удалось синтезировать особо прочные и крупные синтетические алмазы, в которых множество мелких кристаллов срослись в один "общий кристалл" - он называется поликристаллом. Такими поликристаллами, впаяв их в резец, точат металлические детали на станке.

Это новое достижение советских ученых станет, быть может, началом настоящего переворота в машиностроении: оно дает возможность в несколько раз увеличить скорость обработки металлов и других твердых материалов.

Техника использует 90% всех существующих алмазов - природных и искусственных. А 10% - это ювелирные алмазы - бриллианты. Техника обработки алмазов

Красота алмазных кристаллов, сложность искусства их огранки - придания камням совершенной многогранной формы - делают алмаз самым драгоценным из драгоценных камней.

Из графита можно сделать грифель такого карандаша, а можно - такие бриллианты.

0540-4.jpg

Единица массы драгоценных камней - карат ("кар" - в переводе с арабского "вес зерна" - равен 0,2 г). Бриллиант массой в 1 карат считается довольно большим, камень в 10 карат - редкая драгоценность.

Строгая, благородная красота алмазов зависит не только от их природных свойств. Человек придает алмазным кристаллам определенную форму.

Эта форма далеко не случайна. Она обусловлена физическими законами преломления и отражения светового луча. Грани бриллиантов располагаются так, что большая часть падающего на ограненный кристалл света не пронизывает его насквозь, а, неоднократно преломляясь, отражается от граней вовнутрь камня. Этим и объясняется неповторимая красота сверкания хорошо ограненного алмаза.

Грани в каждом камешке располагаются по строгой геометрической схеме, ступенями. В каждой такой ступени все грани одинаково наклонены к вертикальной оси кристалла. Мастер-огранщик знает и чувствует каждый угол и соблюдает его с большой точностью, несмотря на то что удерживать кристалл при работе с ним, особенно маленький, очень трудно даже с помощью сложных специальных приспособлений. Бриллиантовые грани шлифуют вращающимся чугунным диском, в поверхность которого втерт алмазный порошок (теперь это чаще всего синтетический алмазный порошок).

До сих пор бриллианты делали только из природных алмазов. Но это не значит, что их нельзя делать из алмазов, изготовленных искусственно. Уже синтезированы прозрачные кристаллы хорошей формы массой в карат. Но пока еще они очень дороги, значительно дороже природных такой же величины.

Первый в мире синтетический бриллиант был изготовлен в 1967 г. бельгийским ювелиром Бонруа из кристалла размером около одного миллиметра, синтезированного в Киеве.



Авиация и космонавтика, вооружения, hi-tech, открытия, концепции и изобретения...

Наука, техника, изобретения © 2009-