Экспериментальная проверка теоретических построений в минералогии дело чрезвычайно сложное. Большая часть процессов образования минералов происходит при высокой температуре расплавленных горных пород и (или) огромных давлениях горообразующих процессов. Да и в условиях более низких температур и давлениях главным фактором образования минералов становится время, отсчитываемое десятками и сотнями тысячелетий. Тем не менее опытная проверка минералогических моделей необычайно привлекательна для каждого минералога. И, несмотря на трудность задачи и ограниченность средств и сил, многое уже достигнуто. Рассмотрим тему искусственного воспроизведения минералов на примере синтетических алмазов. «Алмаз пока получается в слишком ничтожных количествах, но выработка экономически удачного способа его получения будет иметь громадное значение для горной промышленности» [4]. Это написано в 1932 году. На сегодняшний день «около 97 % алмазов (по весу), используемых в промышленности – синтетические» [5]. Углерод имеет три модификации состояния: аморфный уголь, графит и драгоценный алмаз. Уголь переходит в графит при температуре около 2400 °C. Графит – устойчивая, твердая фаза углерода. Вследствие различий в упаковке и ориентации атомов углерода в пространстве (рис. 1), эти вещества абсолютно не схожи между собой. Поток патентных заявок о синтезе алмазов был зарегистрирован между 1879 и 1928 годами. Большая их часть была внимательно изучена, но не нашла подтверждения. И только в 1939 году минералог из СССР Овсей Лейпунский рассчитал необходимое для синтеза алмазов давление – 6 ГПа. В 40-х годах 20-го века в СССР, Швеции и США начались исследования по синтезу алмазов с помощью методов CVD и HPHT, являющиеся по сей день основными в производстве синтетических алмазов. Метод HPHT (high pressure-high temperature) – (высокое давление-высокая температура) используется чаще всего по причине сравнительно низких затрат. В рамках этого способа применяются установки, формирующие давление до 50 000 атмосфер при температуре до 1500 °C. При использовании этой методики создаются условия близкие к природным. Другой способ – CVD (chemical vapor deposition) – химическое напыление. Другое название этого метода – пленочный синтез. В третьем методе используется взрывная ударная волна. Одна из лучших установок для получения искусственных алмазов – БАРС (Беспрессовая Аппаратура высокого давления «Разрезная Сфера») (рис. 2). Создан в начале 90-х годов прошлого века минералогами из Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева сибирского отделения РАН. Их установка компактна, результативна, относительно не дорога. В сердцевине установки размещена керамическая цилиндрическая форма емкостью примерно два кубических сантиметра. В ней образуется искусственный алмаз. Форма утоплена в передающей давление среде, выполненной из пирофиллита. Она сдавливается штампами первого порядка из очень твёрдого вещества. Октаэдр штампов первого порядка сдавливается восемью стальными штампами второго порядка. Собранная установка помещается меж двух полусфер диаметром один метр. Пространство между полусферами и стальными штампами заполнено гидравлическим агентом, находящимся под давлением. Таким образом, транслируется усилие от штампов к форме. Одновременно происходит контролируемый нагрев формы [6]. Воспроизведение CVD-алмазов. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. С ее помощью создаются промышленные алмазы, используемые в высокоточных производствах. CVD-процесс состоит из подготовки первичной заготовки – подложки, наполнения рабочей камеры смесью метана и водорода и их дальнейшее взаимодействие. В камерах создаются вакуумные условия. Газы нагреваются до температуры 3000 °C, и углерод, присутствующий в метане, оседает на основу. Полученные в результате этого процесса искусственные алмазы находят применение в производстве микросхем как кристаллы-полупроводники. Изготовление микроэлектронных устройств на матрицах из искусственных алмазов – прорывная технология, обеспечивающая качественный скачок в развитии отрасли. Правда, это потребует усовершенствования методики выращивания, т.к. в настоящее время размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин не превышают одного сантиметр, но уже планируются пластины размером более десяти сантиметров. Способ взрывного синтеза – одна из новейших технологий, делающих возможным получение искусственного алмаза. Методика основана на энергии взрыва с последующим быстрым охлаждением после взрыва. Кристаллы образуются мелкие, но способ максимально приближен к естественному. Алмаз может быть монокристаллом или состоять из большого количества мелких сросшихся кристаллов (поликристалл). Большие, бездефектные монокристаллы алмаза используются в ювелирной промышленности. Поликристаллические алмазы используются в промышленности в качестве инструмента обработки. Синтетические алмазы - самое твёрдое из известных веществ. Твёрдость искусственных алмазов зависит от химического состава исходных элементов, наличия и вида дефектов в кристаллической решетке, ориентации кристаллической решетки. Твёрдость искусственных алмазов, полученных методом CVD варьируется от 30 % до 70 % от твёрдости монокристалла природного алмаза. Некоторые искусственные монокристаллы твёрже всех известных природных алмазов. Практическое применение искусственных алмазов связано с их твёрдостью, поэтому их используют в качестве режущего инструмента, абразивных порошков, полировальных паст. Благодаря своей твёрдости алмазы используются для обработки любых материалов, в том числе при огранке самих алмазов. Как правило, алмазный инструмент имеет спечённое покрытие. Микронные зерна алмаза диспергируются в металлическую матрицу (рис. 3). Таким образом, производство искусственных алмазов относится к высокотехнологичным процессам. Саморазвитие этих технологий дало импульс к созданию смежных высокотехнологичных отраслей, положило начало алмазной электроники. Сейчас разрабатываются технологии создания искусственных алмазов с заданными свойствами кристаллической решетки. Происходит взаимопроникновение IT-технологий, нано-технологий. Наличие спектра высокотехнологичных отраслей с требованием материалов с заданной кристаллической структурой означает гарантированное развитие соответствующих инфраструктур.
Искусственное Воспроизведение Минералов (Artificial Reproduction of Minerals)
Mahym Amanova
Conceptualization
;
2022
Abstract
Экспериментальная проверка теоретических построений в минералогии дело чрезвычайно сложное. Большая часть процессов образования минералов происходит при высокой температуре расплавленных горных пород и (или) огромных давлениях горообразующих процессов. Да и в условиях более низких температур и давлениях главным фактором образования минералов становится время, отсчитываемое десятками и сотнями тысячелетий. Тем не менее опытная проверка минералогических моделей необычайно привлекательна для каждого минералога. И, несмотря на трудность задачи и ограниченность средств и сил, многое уже достигнуто. Рассмотрим тему искусственного воспроизведения минералов на примере синтетических алмазов. «Алмаз пока получается в слишком ничтожных количествах, но выработка экономически удачного способа его получения будет иметь громадное значение для горной промышленности» [4]. Это написано в 1932 году. На сегодняшний день «около 97 % алмазов (по весу), используемых в промышленности – синтетические» [5]. Углерод имеет три модификации состояния: аморфный уголь, графит и драгоценный алмаз. Уголь переходит в графит при температуре около 2400 °C. Графит – устойчивая, твердая фаза углерода. Вследствие различий в упаковке и ориентации атомов углерода в пространстве (рис. 1), эти вещества абсолютно не схожи между собой. Поток патентных заявок о синтезе алмазов был зарегистрирован между 1879 и 1928 годами. Большая их часть была внимательно изучена, но не нашла подтверждения. И только в 1939 году минералог из СССР Овсей Лейпунский рассчитал необходимое для синтеза алмазов давление – 6 ГПа. В 40-х годах 20-го века в СССР, Швеции и США начались исследования по синтезу алмазов с помощью методов CVD и HPHT, являющиеся по сей день основными в производстве синтетических алмазов. Метод HPHT (high pressure-high temperature) – (высокое давление-высокая температура) используется чаще всего по причине сравнительно низких затрат. В рамках этого способа применяются установки, формирующие давление до 50 000 атмосфер при температуре до 1500 °C. При использовании этой методики создаются условия близкие к природным. Другой способ – CVD (chemical vapor deposition) – химическое напыление. Другое название этого метода – пленочный синтез. В третьем методе используется взрывная ударная волна. Одна из лучших установок для получения искусственных алмазов – БАРС (Беспрессовая Аппаратура высокого давления «Разрезная Сфера») (рис. 2). Создан в начале 90-х годов прошлого века минералогами из Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева сибирского отделения РАН. Их установка компактна, результативна, относительно не дорога. В сердцевине установки размещена керамическая цилиндрическая форма емкостью примерно два кубических сантиметра. В ней образуется искусственный алмаз. Форма утоплена в передающей давление среде, выполненной из пирофиллита. Она сдавливается штампами первого порядка из очень твёрдого вещества. Октаэдр штампов первого порядка сдавливается восемью стальными штампами второго порядка. Собранная установка помещается меж двух полусфер диаметром один метр. Пространство между полусферами и стальными штампами заполнено гидравлическим агентом, находящимся под давлением. Таким образом, транслируется усилие от штампов к форме. Одновременно происходит контролируемый нагрев формы [6]. Воспроизведение CVD-алмазов. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. С ее помощью создаются промышленные алмазы, используемые в высокоточных производствах. CVD-процесс состоит из подготовки первичной заготовки – подложки, наполнения рабочей камеры смесью метана и водорода и их дальнейшее взаимодействие. В камерах создаются вакуумные условия. Газы нагреваются до температуры 3000 °C, и углерод, присутствующий в метане, оседает на основу. Полученные в результате этого процесса искусственные алмазы находят применение в производстве микросхем как кристаллы-полупроводники. Изготовление микроэлектронных устройств на матрицах из искусственных алмазов – прорывная технология, обеспечивающая качественный скачок в развитии отрасли. Правда, это потребует усовершенствования методики выращивания, т.к. в настоящее время размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин не превышают одного сантиметр, но уже планируются пластины размером более десяти сантиметров. Способ взрывного синтеза – одна из новейших технологий, делающих возможным получение искусственного алмаза. Методика основана на энергии взрыва с последующим быстрым охлаждением после взрыва. Кристаллы образуются мелкие, но способ максимально приближен к естественному. Алмаз может быть монокристаллом или состоять из большого количества мелких сросшихся кристаллов (поликристалл). Большие, бездефектные монокристаллы алмаза используются в ювелирной промышленности. Поликристаллические алмазы используются в промышленности в качестве инструмента обработки. Синтетические алмазы - самое твёрдое из известных веществ. Твёрдость искусственных алмазов зависит от химического состава исходных элементов, наличия и вида дефектов в кристаллической решетке, ориентации кристаллической решетки. Твёрдость искусственных алмазов, полученных методом CVD варьируется от 30 % до 70 % от твёрдости монокристалла природного алмаза. Некоторые искусственные монокристаллы твёрже всех известных природных алмазов. Практическое применение искусственных алмазов связано с их твёрдостью, поэтому их используют в качестве режущего инструмента, абразивных порошков, полировальных паст. Благодаря своей твёрдости алмазы используются для обработки любых материалов, в том числе при огранке самих алмазов. Как правило, алмазный инструмент имеет спечённое покрытие. Микронные зерна алмаза диспергируются в металлическую матрицу (рис. 3). Таким образом, производство искусственных алмазов относится к высокотехнологичным процессам. Саморазвитие этих технологий дало импульс к созданию смежных высокотехнологичных отраслей, положило начало алмазной электроники. Сейчас разрабатываются технологии создания искусственных алмазов с заданными свойствами кристаллической решетки. Происходит взаимопроникновение IT-технологий, нано-технологий. Наличие спектра высокотехнологичных отраслей с требованием материалов с заданной кристаллической структурой означает гарантированное развитие соответствующих инфраструктур.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
