Как из графита получается алмаз. Алмаз как детектор излучения. Выращивание алмаза метаном

Алмаз используется человеком уже более двухсот лет. Раньше из этого минерала делали исключительно ювелирные украшения, но теперь его широко применяют в разных областях промышленности.

Алмаз известен прежде всего своей твердостью: по шкале Мооса он определяется десятью баллами, что является максимально высокой оценкой. А придать алмазу огранку можно лишь при помощи другого алмаза, так как никакое другое вещество не способно нарушить его прочность.

Что делают из алмазов?

Две главные характеристики алмаза, такие как эстетика (красота) и уникальная прочность, создают два основных направления использования этого минерала человеком.

Алмаз нашел применение в следующих отраслях:

Ювелирные украшения. Большинству известно, как называется обработанный алмаз. Из алмаза делают , придавая ему особую огранку. Бриллианты имеют разные размеры, цвет и форму. Они вставляются в кольца, серьги, кулоны, браслеты и другие украшения в самых разнообразных стилях. Дороговизна таких украшений объясняется высоким уровнем монополизации этого рынка. Так, половина мировой добычи алмазов приходится на фирму «Де Бирс». Алмазные месторождения находятся в Африке, Намибии, Ботсване и Танзании.
Изготовление свёрл, резцов, пил, ножниц и ножей. На основе алмаза, благодаря его исключительной твердости, налажено производство различных инструментов, в том числе хирургических. Алмазная составляющая обеспечивает возможность моделировать мельчайшие детали инструментов, сохраняя их крайне прочными.
В промышленности широко применяется не только минерал в чистом виде, но и алмазный порошок. Он, в свою очередь, добывается двумя способами: как отход при обработке природных алмазов, так и путем искусственного синтеза. Из алмазного порошка изготавливают абразивные вещества, точильные круги, режущие инструменты и др.
Алмаз нашел свое применение в области микроэлектроники благодаря теплопроводным свойствам и высокому пробивному напряжению.
Минерал используется в квантовых компьютерах.
В ядерной промышленности .
В часовой промышленности .
На базе алмаза изготавливают полупроводниковые приборы (с использованием допированных пленок алмаза).

Для чего используются алмазы?

Название этого минерала можно перевести как «наитвердейший» (ал-мас) с арабского или «несокрушимый» (адамас) с греческого языка.

Несмотря на то что людям издавна была известна непревзойденная твердость этого вещества, до конца 20 века его использовали в основном в качестве украшения. Ювелиры выделяют более 1000 видов этого камня, деля его по цвету, насыщенности окраски, степени прозрачности, наличию трещин и др.

На данный момент алмазный потенциал развитых стран имеет сильнейшее влияние на экономику. Алмаз применяется при обработке самых разных материалов, используется в сфере бурения горных пород, при процессе волочения проволоки, широко известен своими точильными свойствами. Его твердость в 150 раз превосходит твердость .

Алмазной обработке подвергаются такие вещества, как:

Цветные металлы;
Черные металлы;
Стекло;
Пластмасса;
Твердые сплавы;
Каучук;
Различные синтетические вещества.

Такая техника имеет ряд преимуществ перед другими видами обработки:

В значительной степени повышается качество изготавливаемой продукции
В десятки и сотни раз увеличивается производительность труда
Сильно продлевается срок службы изготовленных деталей благодаря идеальной шлифовке и отсутствию микротрещин.

Алмазные порошки

Отдельного внимания заслуживает алмазный порошок , который широко применяется во многих отраслях промышленности.

Благодаря таким порошкам, впервые удалось сконструировать особые свёрла, позволяющие делать тончайшие отверстия в очень хрупких материалах, а также эффективно работать с твердыми поверхностями. такой порошок широко применяют на гранильных фабриках.

Благодаря ему, тусклые и невзрачные камни получаются сверкающими и яркими.

Алмаз как детектор излучения

Заряженные частицы производят особую вспышку в алмазе, в результате чего возникает токовый импульс. Благодаря этому свойству, данный минерал может служить детектором ядерного излучения и использоваться как счетчик быстрых частиц.

Такой счетчик многократно превосходит по своим качествам газовые аналоги и другие кристаллические приборы.

Чем обрабатываются алмазы?

Как делают огранку алмаза? Этот минерал подается шлифовке, полировке и огранке лишь при помощи такого же алмаза. Открытие свершилось в Индии, когда один из ювелирных мастеров заметил, что если потереть один камень о другой, блеск обоих становится значительно более выраженным.

Но секрет, чем шлифуют алмазы, как и искусство огранки камня, долгое время хранился в тайне. Первым европейцем, сумевшим обработать алмаз, стал мастер Людвиг Беркем.

Еще один способ обработки алмазов – это распилка . Пилить этот минерал люди научились многим позже, нежели делать бриллианты.

Раньше для этого применяли специальную стальную проволоку, но процесс был очень длительным: иногда на это уходили годы. На сегодняшний день распилка алмазов намного упрощена. Для этого используют тончайшие бронзовые фрезы с особой эмульсией, в состав которой входит алмазная пыль.

Стоимость алмазов

Существует целая наука, занимающаяся вычислением стоимости алмазов. зависит от его редкости, которая, в свою очередь также имеет ряд критериев.

Например, чем чище камень и чем больше его удельный вес, тем реже его можно встретить в природе. Для изготовления ювелирного алмаза, достоинством в один карат, нужно обработать в среднем 260 тонн руды.

Но конечная цена алмаза зависит не столько от издержек добычи, сколько от состояния рынка на определенный момент. Есть и более определенные критерии: так, неограненный камень будет иметь стоимость в 2 раза меньше, нежели ограненный бриллиант. Связано это с тем, что высокий дисконт готового алмаза покрывает все расходы и риски в процессе обработки.

Существует 4 общепринятых показателя, влияющих на цену бриллианта:

Огранка.
Цвет (в сущности его отсутствие).

Таким образом, при расчете стоимости одного карата учитываются все вышеперечисленные факторы, а также соотношение спроса и предложения. Второе является наиболее весомым критерием определения цены бриллианта.

Кроме того, существует специфика анализа каждого камня и более узкие классификации алмазов.

Как выглядит алмаз?

Отвечая на вопрос, как выглядит алмаз в природе , можно смело признать, что довольно непривлекательно. Камень имеет шершавую поверхность, блеклый цвет и зачастую покрыт сероватой коркой с трещинками. Бриллиант из алмаза делает лишь тщательная и качественная огранка камня, включающая в себя множество этапов.

Если говорить научно, то алмаз считается минералом, имеющим форму аллотропного кубического углерода.

Алмаз имеет следующие особенности:

Дисперсия.
Способность проводить тепло.
Высочайший уровень твердости.
Высокая степень преломления.
Низкий показатель трения на воздухе по металлу.
Высочайшая стойкость к стиранию.
Самая высокая упругость в сравнении с другими минералами.
Наиболее низкий коэффициент сжатия.
Люминесценция. В результате воздействия ультрафиолетовых, рентгеновских и катодных лучей, алмаз светится разными цветами и отбрасывает блики.
Кроме того, алмаз обладает уникальными свойствами диэлектрика.

Как распознать поддельные алмазы?

Порой бывает чрезвычайно сложно отличить настоящий бриллиант от подделки, и это под силу только настоящему эксперту.

Однако, есть ряд способов, которые помогут выявить подделку:

Таким образом, отличить настоящий бриллиант от подделки довольно непросто, но используя ряд хитростей, всё же возможно.

Алмазы привлекали человечество еще с давних времен. Необычайная красота этих камней стала причиной их использования для создания разных украшений. Однако позже люди выявили и другие полезные свойства алмазов - их уникальную прочность и твердость. Для обеспечения потребностей производства природа не создала много этого материала, поэтому у людей возникла идея - изготовлять алмазы искусственным путем.

Ценность алмазов

Алмаз считается уникальным камнем, обладающим редким сочетанием важных характеристик: сильная дисперсия, большая теплопроводность, твердость, оптическая прозрачность, износостойкость. Из-за своих физико-механических свойств алмазы высоко ценятся не только ювелирными экспертами, но и широко применяются в разных отраслях промышленности. Так, этот драгоценный камень используют в медицине, оптике и микроэлектронике.

Но в полной мере удовлетворить производственные потребности чистыми природными алмазами очень сложно и довольно дорого. По этой причине человечество начало задумываться над тем, как сделать искусственный алмаз. Синтетический камень должен был не только обладать важными свойствами настоящего алмаза, но и иметь более совершенную кристаллическую структуру, что очень важно для высокотехнологических областей.

Как возникли синтетические алмазы

Потребность в создании синтетического камня возникла очень давно. Но на практике осуществлена лишь в XX веке. До этого времени ученые не могли придумать технологии изготовления алмазов, хотя сумели установить, что они являются родственниками с обыкновенным углеродом. И через несколько десятков лет был создан первый синтетический алмаз, который получили из графита под воздействием высокой температуры и давления путем Именно с этого момента началось производство искусственных алмазов, которые сегодня применяются во многих элементах разного оборудования и инструментах.

Технологии производства алмазов

В наше время для получения синтетического камня используют несколько технологий, каждая из которых имеет свои особенности. Самая надежная, но наиболее дорогостоящая технология заключается в производстве алмаза из кристаллического углерода, который помещают для обработки в специальный пресс. Сначала на обрабатываемый материал мощными насосами подается вода. Таким образом создается Затем вода замерзает под действием хладагента, в результате чего давление увеличивается до 10 раз. На последнем этапе камера, в которой находится углерод, подключается к электрическим шинам и подается на несколько долей секунды мощный ток. Под одновременным воздействием температуры и давления происходит преобразования графита в твердый камень. После этой фазы пресс размораживают, сливают жидкость и достают готовый искусственный алмаз.

Выращивание алмаза метаном

Еще используют более простую технологию производства синтетического камня - метод взрыва, который позволяет нарастить искусственный кристалл под действием метана. Очень часто производство искусственных алмазов происходит по двум технологиям. Дело в том, что в первом случае удается получить наивысший процентный выход алмазов, но они будут очень маленькими. Вторая технология позволяет существенно нарастить полученный синтетический камень с помощью обдувания метаном под воздействием температуры около 1100 ºС. Метод взрыва дает возможность получить искусственный алмаз любой величины.

Виды искусственных алмазов

В наше время производят много разновидностей синтетических алмазов: фианит, муассанит, страз, сегнетоэлектрик, рутил, фабулит, церуссит. Наиболее совершенной подделкой алмаза считается фианит, или кубик циркония. Он являет собой Поэтому многим неоднократно приходилось слышать, как называется искусственный алмаз цирконом. Хотя он не имеет никакого отношения к натуральному дорогостоящему камню.

Фианит характеризуется большой твердостью, высокой степенью дисперсии и преломления. Благодаря своим свойствам этот камень отлично имитирует настоящий алмаз и широко используется в ювелирной промышленности. Даже эксперты невооруженным глазом практически не могут отличить подделку от оригинала, поскольку они играют одинаково.

Самым качественным аналогом алмаза считается муассанит. У него такие же физические свойства, как у натурального камня, а по оптическим показателям он даже лучше. Единственный его недостаток - он уступает в твердости.

Особой популярностью пользуются стразы, изготовленные из свинцового стекла, состоящего из окиси свинца. Благодаря своему составу эти камни потрясающе играют на свету и имеют блеск, идентичный блеску алмазов.

Где применяются синтетические алмазы

Искусственный алмаз широко используется ювелирными заводами для изготовления роскошных украшений, которые не только выглядят красиво, но и весьма доступны по цене. Изделия с поддельными камнями смотрятся не хуже и отлично носятся.

Также выращивание искусственных алмазов является неотъемлемой частью современной промышленности. На их основе производятся сверхпрочные инструменты: алмазные пилы, полирующие диски, долота, сверла, скальпели, ножи, разные резцы и пинцеты. Техника и оборудование, изготовленные из алмазного материала, позволяют обрабатывать наиболее прочные сплавы и сырье. Кроме того, алмаз обеспечивает максимальную точность в машинах и приборах.

Как создать искусственный алмаз в домашних условиях

Некоторые эксперты утверждают, что вырастить синтетический алмаз возможно в домашних условиях. Но самостоятельное изготовление искусственных алмазов потребует немало усилий и затрат времени. Мы расскажем, как вырастить минерал из соли, внешне отдаленно напоминающий алмаз.

Итак, для создания такого камня понадобится поваренная соль, химическая посуда, чистый лист бумаги и лабораторный фильтр. Сначала следует приготовить маленький кристалл. Для этого нужно наполнить химический стакан на 1/5 часть солью, залить наполовину теплой водой и перемешать. Если она растворилась, значит, нужно досыпать еще немного. Соль нужно добавлять до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Затем раствор профильтровать в другую посуду, в которой и будет расти камень, и накрыть бумагой. Все время нужно контролировать уровень раствора. Камень не должен оказаться в воздухе. Если раствор испарился, нужно приготовить новый и долить.

Люди, которые делали такие опыты, утверждают, что на протяжении недели домашний алмаз искусственный должен заметно подрасти.

Стоимость искусственного алмаза

В современном мире синтетические камни заняли отдельный сегмент рынка ювелирных украшений. Получение искусственных алмазов постоянно усовершенствуется. Ученые изобретают новые камни, которые мгновенно получают массовую популярность, а более старые утрачивают спрос и постепенно исчезают с рынка. Например, в середине XX века для имитации алмазов в украшения вставляли искусственный рутил. Затем его заменили на фианит. А в 90-х гг. все предыдущие вытеснил муассанит.

Цены на искусственный алмаз зависят от размера, огранки и технологии производства. Многие люди ошибочно считают, что синтетические камни - это обычное стекло, и не видят в них никакой ценности. Но на самом деле такие алмазы часто стоят немалых денег, а некоторые из них являются довольно редкими. Так, иные разновидности искусственного алмаза могут стоить больше, чем природные аналоги.

Среди синтетических алмазов наиболее популярными считаются фианиты разного цвета. Их средняя стоимость за карат в ограненном виде колеблется от 1 до 5 долларов США. А известный алмазный аналог муассанит стоит намного дороже - 70-150 долларов США за карат.

Значимым факторов формирования цены на камни является цвет. Так, стоимость алмаза желтого цвета составляет 40-50 долларов за 0,2 карата, но за камень оранжево-розовой окраски в зависимости от размера придется заплатить около 3000 долларов.

Мировые лидеры

В течение последних лет мировыми лидерами по производству синтетических камней считаются Китай, Япония, США и Россия. Наиболее активно развивает это направление Китай, постоянно изобретая новые технологии синтеза.

Лучшее украшение для дома - это украшение, сделанное своими руками. Ведь вы вкладываете в него свою душу, силы, а результат всегда такой разный. Поэтому стоит узнать, как сделать алмаз из бумаги. Найти применение такой милой вещице довольно просто.

Объемный алмаз

Главное в вопросе о том, как сделать алмаз из бумаги объемным - это шаблон. Нужно распечатать его на бумаге. Лучше сразу на той, из которой хотите делать поделку. Вырежьте шаблон и проведите иголкой по всем линиям (это необходимо для того, чтобы проще было сгибать). Делайте это по линейке. Теперь, опираясь на фото готового результата, сгибайте вырезанную фигуру. Торчащие треугольники — это та часть, с помощью которой алмаз склеивается. Как видите, все довольно просто.

Это был не единственный способ создания объемного алмаза. Есть еще один, его шаблон даже чуть проще. Проделайте то же самое, что и в первом методе и приклейте части в виде трапеции к основанию алмаза (шестиугольник).

Еще один вариант использования объёмных алмазов - гирлянда. Для ее создания проделайте отверстия с двух сторон в каждой детали и протяните через них нить. На месте входа и выхода нити в алмаз сделайте узлы. Это предотвратит скатывание алмазов в одну кучу.

Октаэдр

Как алмаз сделать из бумаги проще? Распечатайте развертку октаэдра. Проведите иголкой по линиям сгиба и склейте в нужных местах. Издалека фигура вполне напоминает нужную вам.

Это подойдет, если вам необходимо создать что-то наподобие необычной алмазной занавески. Переводить предложенные выше шаблоны, проводить иголкой по каждой линии и собирать алмаз намного сложнее, чем октаэдр. А при большом количестве октаэдров создается как раз нужное впечатление!

Коробочка

Как сделать из бумаги коробочку «Алмаз»? Распечатайте предложенный шаблон. Розовым и оранжевым отмечены стороны самого алмаза, а белым - места, с помощью которых поделка склеивается. Шестиугольник - это крышка коробочки.

Для создания большой коробки в виде алмаза нужно:

Листы ватмана.
Золотая клейкая лента.
Прозрачная клейкая лента.
Ножницы.
Линейка
Карандаш.

Ход работы:

Оригами

Как сделать алмаз из бумаги в технике оригами:

Довольно сложная схема сборки. С первого раза может не получиться, но не отчаивайтесь и пробуйте дальше!

Теперь вы знаете, как сделать алмаз из бумаги. Одному экземпляру вы вряд ли найдете применение, но если сделать много разноцветных алмазов, то открывается большой простор для фантазии. Например, возьмите прозрачную вазу и наполните ее этими драгоценностями, или положите их в цветочный горшок. Выглядит очень мило и стильно. Не выбрасывайте шаблон, наверняка он вам еще пригодится. Ведь такое украшение разбавит любой скучный интерьер!

О том, как сделать алмаз, люди задумывались десятками лет. А все потому, что выращивание этих камней не просто обогатит создателя методики, но и сделает их более доступными. Есть мнение, что реально получить бриллиант из графита или угля, так как все они состоят из углерода. Прочитав статью, вы сможете разобраться, насколько это утверждение реально, в чем разница между упомянутыми минералами и можно ли получить драгоценность, не покидая пределов квартиры.

Небольшой экскурс в свойства пород

Вплоть до 17 века, никто не подозревал о сходстве угля, алмаза и графита. Они никогда не соседствовали в природе. Тем более, ученые не могли помыслить о превращении одного вещества в другое. Все изменилось, когда английский химик Теннант провел свой эксперимент и выяснил их истинную природу.

Визуально, понять это не было возможности, так как породы совершенно различны. Графит не имеет прочных связей и состоит из скользящих друг по другу чешуек. Его основная сфера применения – смазка для снижения трения между поверхностями. Внешне, он похож на расплавленный металл.

Угольный состав включает в себя мелкие частицы графита, но дополняется углеводородным соединением, кислородом и азотом, что придает ему не жидко-вязкую форму, а более плотную. Алмазы же, вообще имеют одно из самых прочных соединений в природе. Внешне – это прозрачные камни, совсем несхожие со своими «собратьями».

Игры с породами: превращение одного вещества в другое

Как только ученые обнаружили сходство алмаза, угля и графита, они задались целью научиться превращать одно вещество в другое. Первые эксперименты были удачными.

Выяснилось, что при нагревании «драгоценного камня» в безвоздушном пространстве до 1800 градусов, он полностью превращается в графит. Тот же эффект получается, если сквозь раскаленный до 3500 градусов уголь, пропустить электрический ток. Получив успех на этих превращениях, ученые задались целью сделать искусственный алмаз, и застряли практически на 100 лет.

Эксперимент, как из угля сделать алмаз, увенчался успехом только в 1880 году и проходил в 2-а этапа. Сначала, путем электролиза, получали графит. Затем, его помещали в стальную колбу, закрывали с обоих концов и нагревали докрасна. Иногда, сосуд не выдерживал давления и взрывался. Но, если все проходило гладко, то при вскрытии трубы внутри находили темные, но сверхпрочные кристаллы.

Теория взрыва: первый шаг на пути к цели

В естественной среде алмазы образуются при температурах свыше 1600 градусов Цельсия, и давлении 60-100 тыс. атмосфер. На все это, у природы уходит сотни тысяч, а иногда и миллионы лет. Поэтому, выращивание искусственных алмазов вывело бы многие сферы на новый уровень.

Ученые уже научились создавать искусственные алмазы, на что уходит лишь несколько месяцев. Но, для процесса превращения требуется дорогостоящее оборудование и труднодоступные материалы. Можно попробовать обойтись подручными средствами, но вероятность успеха крайне мала.

Если же вы решитесь создать алмаз самостоятельно, то вам потребуется заложить графитовый стержень и тротил в толстую трубу, а затем заварить ее концы. После детонации взрывчатки, внутри колбы создается нужное давление и температура, вследствие чего образуется высокопрочный кристалл. Но, как показывают расчеты, вероятность разнести помещение и убить себя выше, чем получить драгоценный камень.

Безопасный способ обогащения – находка для экспериментаторов

О том, как вырастить алмаз в домашних условиях, ходит много «легенд». Вычленить среди них действенный, а, главное, безопасный способ – сложнорешаемая задача. Тот вариант, о котором сейчас пойдет речь, подходит для любителей экспериментов, но всерьез ожидать получения драгоценного камня не стоит.

Внимание! Администрация сайта не несет ответственности за возможные последствия эксперимента.

Инструкция по работе предполагает подготовку необходимых компонентов. К ним относятся:

карандаш;
провод;
вода или жидкий азот;
источник высокого напряжения (сварочный аппарат).

Чтобы получить искусственный алмаз, достаньте из карандаша грифель. Можно купить отдельно. Теперь, соедините его с проводом и опустите в емкость. Следующий шаг зависит от того, что вы используете. В первом варианте, следует залить конструкцию водой и заморозить. Во втором варианте, заморозка происходит при помощи жидкого азота.

Как только вы получите нужную температуру, подсоедините провода к источнику напряжения и пустите ток. Считается, что после прохождения через грифель разряда, он трансформируется в алмаз.

Домашний эксперимент: получение кристаллов из соли

Получить алмаз без лабораторных условий невозможно. Но, вы можете своими руками вырастить красивые соляные кристаллы. Для эксперимента вам потребуются:

водный дистиллят;
поваренная соль;
прочная нить;
пищевые красители (для красоты).

Возьмите емкость и наполните ее водой. Сыпьте в нее соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Отрежьте нить и закрепите на ней соляной кристалл. Поместите конструкцию в жидкость и подождите несколько дней. Если добавить пищевые красители, то «камушки» получатся разных оттенков.

Соль – не единственный материал, подходящий для таких химических преобразований. Можно использовать сахар или медный купорос. Тогда, кристаллы «вырастают» немного другие, но методика остается прежней. Приятных вам экспериментов.

Получение больших кристаллов

Далее, поговорим о том, как делают алмазы больших размеров в домашних условиях. Для эксперимента вам понадобится все та же соль (100 гр.), дистиллят (400 мл.) и грифель (12 гр.). Возьмите стакан и смешайте сыпучие ингредиенты. Теперь, аккуратно залейте их водой, дождитесь полного растворения и оставьте емкость на 24 часа.

Руководство по созданию искусственных алмазов начинается с того, что вы сливаете воду из стакана (в другую емкость, так как она пригодится далее). На дне посудины, вы найдете получаемые от реакции кристаллы. Выберете наиболее правильный и большой (затравку), а оставшиеся отложите в контейнер.

Выращивание больших домашних алмазов — долгий процесс, требующий терпения. Но, в результате у вас получится красивый многогранный камень, который можно использовать для создания украшений или декора.

Возьмите прочную нитку и закрепите ее на карандаше или любой палочке. К другому концу прикрепите затравку и опустите ее в оставшийся раствор. Все что вам остается — это ожидание. Испаряясь, вода будет нарастать на ваш кристалл и делать его больше. Если в процессе на нитке будут образовываться другие камушки, их лучше удалять.

Чтобы получить алмазы в домашних условиях, требуется дистиллят. Дело в том, что для химических реакций жидкость должна быть без примесей, чтобы эксперимент удался. Но, не всегда легко найти очищенную воду. Тогда, можно создать ее самостоятельно, прокипятив на газу и прогнав через обычный лабораторный фильтр.

После кипячения, фильтр можно заменить промокашкой, ватой, марлей или обычной бумагой — вопрос удобства использования. Чтобы реакция удалась, используемая вода должна быть теплой, но не горячей. Когда вы выращиваете алмазы, раствор постепенно испаряется. Следите, чтобы ваш кристалл не оказался на воздухе — это его испортит.

– Onriom

Производство искусственных алмазов требует выполнения нескольких сложных условий. Недавно при помощи компьютерного моделирования учёные смогли в мельчайших деталях воссоздать процесс превращения графита в алмаз.

Подпись к изображению: При помощи новейшего научного метода учёные впервые в точности воспроизвели процесс превращения графита в алмаз.

Переход состоит из нескольких этапов, начиная от образования алмазного «семечка» внутри графита, и заканчивая полной трансформацией в настоящий алмаз под воздействием высокого давления.

Между этими двумя разновидностями естественно формирующегося элементарного углерода (темно-серым графитом и блестящим алмазом) намного больше различий, чем между каждым из них и практически любым другим материалом.

Существенная разница в прочности алмаза и графита связана, в основном, с их кристаллической структурой – кубической в случае с алмазом и гексагональной в случае с графитом.

Это различие и делает алмаз прочнейшим из всех известных материалов, в отличие от относительно мягкого графита. Именно благодаря своей высокой прочности алмазы пользуются спросом не только как драгоценные камни — их используют в промышленности для шлифовки и распиливания особо твердых материалов.

Сложное превращение

Впервые получить алмаз из графита искусственным образом удалось 60 лет назад. Но до производства в промышленных масштабах дело не дошло. Дело в том, что необходимыми условиями для его производства являются высокое давление и высокие температуры, процесс этот очень длительный и требует больших энергетических затрат. Он включает в себя принудительное изменение структуры углерода, изменение расположения его электронов.

Должны сформироваться четыре связи атомов углерода вместо трех, и состояние углерода должно измениться с энергетически «комфортного» до энергетически «некомфортного», плотного состояния. Чтобы это произошло, углерод должен преодолеть сильный энергетический барьер.

Как именно происходит подобная трансформация, и в какой момент углерод становится алмазом — до сих пор наука не могла дать внятного ответа на этот вопрос.

Профессор вычислительных наук Высшей технической школы Цюриха и Университета Лугано Мишель Парринелло и его команда, используя метод компьютерного моделирования, успешно воссоздали процесс трансформации графита в алмаз в виртуальном пространстве.

Упрощение дает ложную картину

В прошлом ученые пытались смоделировать фазу перехода, используя так называемый «метод Кар-Парринелло». С помощью этого метода можно приблизительно определить структуру и энергетическое состояние электронов в каждой позиции в ионе и, таким образом, смоделировать ситуацию с разрывом и последующим формированием новых ионных связей.

Метод 25-летней давности был разработан в процессе совместной работы Парринелло с Роберто Каром. «Однако создание точной модели процесса перехода от графита к алмазу обойдется слишком дорого, если учесть необходимость отслеживать огромное количество атомов», — говорит Парринелло.

Исследователи попытались упростить этот метод: они значительно сократили используемое при моделировании количество атомов. Но, как утверждает Парринелло, при подобном моделировании вся фаза трансформации графита выглядит таким образом, будто происходит мгновенно, как по команде, а не поэтапно.

Совсем другую картину удалось получить при помощи нового, недавно разработанного метода моделирования. Используя суперкомпьютер Швейцарского национального суперкомпьютерного центра, учёные вычислили десятки тысяч конфигураций атомов с плавно переходящим энергетическим состоянием.

Это означает, что конфигурации атомов обладают широким спектром возможных энергетических состояний. После того как ученые интерполировали их энергетическое состояние и использовали полученные данные как базис для моделирования, стало очевидно, что сначала формируется алмазное «семечко», которое затем, под влиянием высокого давления, постепенно изменяет свою гексагональную графитную структуру до кубической.

Моделирование фазы трансформации с помощью новейшего метода позволило сделать ещё одно открытие: структурные дефекты в кристаллической решетке графита уменьшают количество барьеров, которые необходимо преодолеть для образования алмазного «семечка»... Поэтому структурные дефекты могут увеличить скорость протекания процесса преобразования.

Этот метод может быть использован везде, где есть необходимость визуализировать фазовые переходы - подчеркивает Парринелло.