Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем, он играет всеми цветами радуги, но сам остается прозрачным, словно капля.
А. И. Куприн
Царь камней
Из всех драгоценных камней алмаз удостоился высшей чести: во все времена его не уставали воспевать писатели и поэты, ученые и художники. Кажется, этот камень сопровождал человека повсюду — упоминание о нем вы найдете в древних санскритских стихах, арабских сказках, греческих мифах, сочинениях римских естествоиспытателей, в старых русских лечебных книгах и в свежем номере журнала или газеты.
Алмаз в породе
Некоторые исследователи полагают, что алмаз был известен людям уже за три тысячелетия до нашей эры. Но несмотря настоль давнее знакомство, природу этого камня удалось понять сравнительно недавно.
Еще в XVII веке считалось, что алмаз — родственник прозрачного горного хрусталя (природного кремнезема). Но в следующем столетии было доказано, что в отличие от кремнезема — алмаз горюч!
В 1649 году флорентийские академики поставили знаменитый опыт по нагреванию алмаза в солнечных лучах, собранных в фокусе большого вогнутого зеркала. Кристалл исчез, не оставив никаких видимых следов! И участники опыта решили, что он испарился. В последующих экспериментах, выполненных весьма тщательно, Лавуазье удалось установить, что алмаз при сильном нагревании и свободном доступе воздуха не испаряется, а сгорает, переходя в газ.
Наконец, в 1814 году Гемфри Дэви, повторив вместе со своим ассистентом Майклом Фарадеем опыт флорентийцев, доказал, что алмаз состоит из чистого углерода.
Итак, оказалось, что в природе чистый углерод может существовать в двух кристаллических модификациях, в форме графита и алмаза. Но структуры кристаллов этих соединений резко отличаются одна от другой. Если у графита она сравнительно «разрежена», то кристаллическая решетка алмаза на редкость компактна. Здесь каждый атом углерода окружен четырьмя соседями, которые расположены как бы в вершинах воображаемого тетраэдра — замкнутой геометрической фигуры, образованной в структуре алмаза четырьмя равносторонними треугольниками. Все атомы углерода в алмазном кристалле расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны между собой очень прочными связями. В этом и кроется секрет особой твердости алмаза, удивлявшей людей еще в древности. Кстати само название камня происходит от греческого слова «адамас»,— несокрушимый.
Алмаз состоит исключительно из углерода, и все же при сжигании его всегда остается немного золы, иногда до 4,8 процентов от веса камня. Это дают о себе знать примеси, которые попадают в кристалл в процессе его роста. Чистейший, лишенный (или точнее, почти лишенный) примесей алмаз бесцветен. Но микроскопические доли других веществ в его составе разительно меняют окраску: она может стать голубой, зеленой, синей, коричневый, красной, желтой и даже черной.
Алмаз — исключительно стойкое химическое соединение. Даже при нагревании он не растворяется ни в кислотах, ни в любых других сильных растворителях. Разрушить связи между его атомами удается лишь комбинированным действием высокой температуры и расплава соды или калиевой селитры; а также продолжительным нагреванием при температуре выше 700˚С в среде чистого кислорода, или выше 1000° С — при доступе воздуха. В вакууме, подвергаясь действию температуры выше 1200° С, алмаз начинает перекристаллизовываться в графит.
Кусок графита
Не менее интересны и другие физические и химические свойства алмазов. Если облучать алмаз рентгеновскими, ультрафиолетовыми или катодными лучами, то он начинает светиться нежным голубым, желтым или зеленым цветом. Эта способность люминесцировать, кстати, помогает нашим алмазодобытчикам в Якутии, когда приходится отделять драгоценный камень от горной породы.
Для той же цели на алмазных конях Южной Африки используют другое свойство этого камня — алмаз не смачивается водой, но прилипает к некоторым жировым составам.
При обычном температуре алмазы хорошо проводят тепло и плохо — электричество. Это сочетание свойств несколько необычно: вещества, хорошо проводящие тепло, как правило и хорошие проводники электрического тока. Проводимость алмазов сильно возрастает лишь при нагревании выше 1000 градусов.
Наконец стоит упомянуть об исключительных оптических свойствах «царя камней» — ими он обязан высокому показателю преломления света. И это свойство тоже ставит алмаз на первое место среди других драгоценных камней. Однако широкое признание в технике алмаз приобрел в первую очередь благодаря своей необычайной твердости.
Алмаз—это значит «несокрушимый»
Абразивы, обработка металлов, точное приборостроение и часовое дело, бурение горных пород — ни дня, ни часу не обойтись здесь без алмазов!
В точных часовых механизмах и приборах они выполняют роль опор и подшипников для вращающихся осей: благодаря исключительной твердости алмаза трение в таких подшипниках ничтожно. Значит, меньше износ частей, а следовательно, прибор или часовой механизм работают долго, надежно, точно. Подобного рода приборами оборудуют сейчас самолеты, подводные лодки, корабли… В металлообрабатывающей промышленности несут службу алмазные резцы и сверла, которыми можно быстро и чрезвычайно точно обрабатывать детали из самых твердых сплавов.
А в волочильной промышленности у камня уже другая роль — алмазные фильеры (это пластинки с просверленными в них тончайшими отверстиями) позволяют протягивать сверхтонкую проволоку точного диаметра — от 0,001 до 0,2 миллиметра. Алмазные фильеры незаменимы при вытяжке проволоки из твердых металлов. И они же незаменимы для протягивания нитей особой парашютной ткани.
В качестве абразивного материала алмазы неизмеримо превосходят такой испытанный материал, как карбид бора. Например, при обработке часовых камней из синтетического корунда один карат алмазного порошка (0,2 грамма) заменяет 500 граммов карбида бора. Уже говорилось, что алмазы незаменимы при бурении самых крепких горных пород: алмазные буры служат дольше любых других (и, в конечном счете, повышают скорость бурения в 2—3 раза).
О технической службе алмазов можно рассказывать очень долго. Алмаз как драгоценный камень давно отступил на второй план перед алмазом техническим. И если раньше охотники за алмазами искали только месторождения уникальных драгоценностей, то теперь куда больше сил тратится на розыски месторождений алмаза технического.
В алмазной мастерской природы
До середины XIX века алмазы добывали только в Индии. Но в 1867 году один южноафриканский охотник обратил внимание на блестящий камешек, с которым играли дети на берегу реки Оранжевой. Охотник показал камешек сведущим людям… Так в Южной Африке были открыты россыпные месторождения алмазов, а тремя годами позже возле города Кимберли впервые обнаружили и коренное месторождение этих камней. В наши дни алмазы добывают буквально по всему свету.
До недавних пор промышленное значение имели главным образом южноафриканские месторождения — здесь было сосредоточено 95% мировой добычи алмазов и создана крупная алмазная промышленность.
Открытие месторождений в Советском Союзе сразу изменило соотношение сил на мировом алмазном рынке.
По геологическим условиям образования, внешнему облику и минералогическому составу сибирские алмазоносные породы очень похожи на аналогичные породы Южной Африки, которые называют кимберлитами (по имени города, вблизи которого они впервые были обнаружены). Этот термин стал теперь общепринятым для всех известных коренных алмазных пород.
В алмазноносных кимберлитах всегда есть определенная группа минералов — спутников алмазов, среди которых встречаются одна разновидность гранатов — пиролы.
В кимберлитах пиропов в тысячи раз больше, чем алмазов; они обладают ярким красным цветом, и их легко обнаружить среди других минералов. Именно находки пиропов были той путеводной нитью, которая привела советских геологов к первой кимберлитовой трубке в долине реки Далдын в Якутии. Эта трубка получила название «Зарница», позже в долине той же реки была обнаружена трубка «Удачная», тот же метод поиска завершился открытием богатейших месторождений алмазов в трубках «Мир» и «Айхал».
До сих пор в науке идут споры о том, как в природе рождаются алмазы, каково происхождение алмазов в кимберлитах. Большинство гипотез объединяет одно общее мнение, что алмазы возникли глубоко в земных недрах в условиях очень больших температур и сверхвысоких давлений, а затем в результате вулканической деятельности они были вынесены магмой на поверхность. Существует также точка зрения, что алмазы «появились на свет» непосредственно в кимберлитовом теле — когда магма, насыщенная газами и парами, поднималась по трещинам в породах и заполняла их, па какой-то небольшой глубине происходил взрыв и под действием высоких давлений и температур углерод в составе магмы кристаллизовался в алмазы.
Выдвигаются и другие гипотезы об образовании алмазов в природе. В частности, предметом оживленной дискуссии служит предположение, что алмазы образовались в процессе формирования кимберлитовых трубок как результат химических реакций оливина и ильменита с известняками…
Алмазы, встречаемые в природе, как правило, невзрачны на вид. Поверхность у них матовая, шероховатая, одетая иногда в «рубашку» из другого вещества. Только тщательный осмотр помогает распознать в этих находках драгоценное «зерно». Конечно, попадаются иногда прозрачные, блестящие кристаллы. Но это бывает не так уж часто.
Поражает самая разнообразная, порой причудливая форма этих кристаллов — обычно, какой-нибудь вариант плоскостных многогранников. Очень редко находят хорошо ограненные алмазы, обычно они встречаются в виде поликристаллических сростков и монокристаллов неправильной формы. Большая часть найденных кристаллов из-за мутного цвета, трещин, несовершенной окраски идет только на технические нужды.
Величина добываемых алмазов обычно не превышает 01 0,2 карата. Крупные алмазы, весом в несколько каратов, встречаются редко. Но бывают и уникальные находки. В 1905 году в Южной Африке нашли кристалл алмаза, названный «Куллинан». Его вес достигал 3106 каратов! Этот величайший в мире алмаз неправильной формы был прозрачен и бесцветен как хрусталь. Его распилили на три крупных бриллианта и более сотни мелких камней.
Самый крупный камень весом в 530 каратов получил название «Звезда Африки» и был подарен английскому королю Эдуарду VII. Из двух других крупных осколков тоже изготовили бриллианты, принадлежащие теперь к числу наиболее известных драгоценностей.
Искусственные алмазы
Никто не возьмется, наверное, подсчитать, мыслями скольких людей владела идея получения искусственных алмазов. Рядом с серьезными естествоиспытателями на этой ниве подвизалось немало авантюристов и ловких обманщиков. И все-таки сколько раз ни объявлялась эта идея неосуществимой, научные поиски продолжались. Пожалуй, чем больше было неудач, тем больше становилось желающих попробовать свои силы в этой области.
Начиная с работ по «алмазотворению» нашего соотечественника В. Н. Каразина (в 1823 году получившего при сжигании угля кристаллы, похожие на алмаз), работ француза Каньяр де ля Тура (1828), в разных странах мира не прекращались попытки синтеза. В 1880 году о синтетических алмазах сообщил англичанин Хэнпей — двенадцать кристалликов, полученных им при нагревании смеси из керосина, парафина, костяного масла и расплавленного металлического лития в герметически заклепанных стальных трубах, хранятся до сих пор в музее в Лондоне. Попытки повторить эти опыты никому не удались. Кристаллизацию углерода в алмаз пытались производить в обычных условиях из различных углеродсодержащих веществ, в растворах, в газообразной, жидкой и твердой фазах. В 1893 году французский химик Муассан взбудоражил весь мир сообщением о том, что ему удалось получить алмазы путем растворения угольного порошка в железе при температуре 2000 — 3000˚С и последующего быстрого охлаждения расплава в свинце или холодной воде.
После опубликования работ Муассана синтезом алмазов стали заниматься не только видные ученые различных стран, но и многочисленные изобретатели. По заявлению американского физика Бриджмена, ежегодно в течение более 25 лет к нему обращались по несколько человек с предложением принять участие в прибылях в обмен за техническую помощь в осуществлении их идей по синтезу алмазов…
Один за другим следовали заявления об удавшемся синтезе — и всякий раз при проверке опровергались.
О том, как всесторонни и многочисленны были эксперименты по получению синтетических алмазов, свидетельствует хотя бы заявление советского исследователя Ф. В. Сыромятникова, сделанное им в тридцатых годах: «Трудно себе представить, что еще можно придумать для постановки новых экспериментов по синтезу алмазов».
Опыты Ф. В. Сыромятникова оказались безрезультатными, так же как и более поздние исследования, выполненные Седжевиком (1952), Эйрингом (1952) и Бриджменом с применением сверхвысоких давлений.
Поэтому был понятен интерес, который вызвало опубликованное в ноябре 1954 г. сообщение американской фирмы «Джеперал электрик» о том, что сотрудники этой фирмы Бенди, Холл и другие получили алмазы искусственным путем при давлении 100 000 атмосфер и температуре 2600° С. Алмазы возникли в виде мелких черных кристаллов на тонкой пленке карбида тантала, образовавшейся в сфере реакции и находящейся в контакте с графитом. Тантал в этом процессе играл роль катализатора. Размер искусственных алмазов не превышал 1—2 миллиметров. При более высоких темпера- турах получались светлые алмазы октаэдрической формы, при низких — кубические алмазы темного цвета. Рост кристаллов происходил со скоростью около 0,1 миллиметра в минуту — но вскоре прекращался. В сообщении указывалось также, что кроме тантала в качестве катализатора могут быть использованы и другие металлы, например железо, кобальт, никель, марганец, хром, палладий, платина.
Вскоре мир узнал и о советских искусственных алмазах. В подарок XXII съезду КПСС было изготовлено 2000 каратов этого синтетического драгоценного камня. Это был совместный успех московских и украинских инженеров и химиков.