Камни в сто карат: как изготавливают искусственные алмазы и где их потом применяют

Первый опыт синтеза искусственного алмаза принадлежит французскому ученому Анри Муассану, который в 1893 году получил первые алмазы методом кристаллизации из раствора в железном расплаве. К сожалению, размер полученных кристаллов был ничтожно мал. В честь Муассана был назван аналог натурального алмаза муассанит, который наряду с фианитом служил более дешевым заменителем натуральных камней до тех пор, пока человечество не научилось делать искусственные алмазы.

Синтетические алмазы для промышленности появились только в середине XX века. Как стало известно позднее, первые пригодные для применения в технических целях камни были получены шведской электротехнической фирмой «Asea» в 1963 году. При этом сам факт получения и производства алмазов держался в тайне. Секрет был обнародован только спустя несколько десятилетий в споре за первенство с другой фирмой из США .

Сейчас сферы применения алмаза – это режущие, обрабатывающие инструменты в виде алмазных дисков, инструментальных вставок с алмазными наконечниками, алмазных чашек для шлифовки и полировки. Алмазы применяются в микроэлектронике, силовой и СВЧ электронике, фотонике, лазерной технике, детекторах ионизирующего излучения.

При этом существуют две основных технологии синтеза искусственных алмазов: технология High-Pressure High-Temperature (HPHT), когда камни создаются при очень высоких температурах и давлении, и технология Chemical Vapor Deposition (CVD), при которой происходит послойный молекулярный синтез алмаза из смеси газов метана и водорода в условиях вакуума и микроволнового излучения. Последняя технология лучше всего подходит для получения чистых объемных алмазов и алмазных пластин с четко заданными параметрами. Управляя рецептом синтеза, этим методом можно изготавливать оптические алмазные пластины с заданным уровнем светового пропускания, теплоотводящие пластины для электроники и лазеров с необходимым значением теплопроводности, ювелирное сырье в виде кубиков с определенным цветом.

Одной из новых сфер применения искусственных алмазов является космическая промышленность. Так, стартап CVD-Spark (входит в группу компаний «Техноспарк» ) недавно изготовил оптические алмазные пластины для окон космического прибора в рамках проекта Московского авиационного института «Солнце-Терагерц», который был запущен на Международную космическую станцию (МКС) для исследования излучения солнца. Вообще, плюс технологии изготовления алмазов CVD перед HPHT в том, что с помощью первой можно изготавливать большие по площади алмазные пластины.

Кроме того, алмазы CVD-Spark используются в тех случаях, когда есть потребность отвести большое количество тепла с тепловыделяющего элемента малого размера (микросхема, СВЧ или силовой транзистор, полупроводниковый или дисковый лазер). В таких случаях применяется не медь (самый распространенный материал для теплоотводов), а алмаз, ведь его теплопроводность в шесть раз больше, чем у меди.

Находит свое применение и алмазное напыление в бытовой электронике, компьютерах, телефонах – сейчас в некоторых флагманских моделях смартфонов делается алмазное напыление на заднюю крышку или на сам процессор для того, чтобы тепло максимально эффективно отводилось от процессора и рассеивалось на крышке.

Искусственные алмазы, сделанные по технологии CVD, также используются как детектор ионизирующего излучения в аппаратах лучевой терапии, так называемые протонные ножи. Когда можно за счет использования элементарных частиц, протонов, сфокусировать излучение на определенной глубине человеческих органов и проводить операции либо исследования с очень с высоким разрешением. При облучении протонами можно с высокой точностью воздействовать на раковые клетки, не повреждая при этом клетки здоровых тканей, поэтому лучевая терапия начала широко распространяться сейчас при лечении онкологических заболеваний.

Однако в таких аппаратах необходимо очень точно фиксировать дозы облучения, которые получают пациенты. Сейчас на смену используемым в этих аппаратах кремниевым детекторам излучения, у которых низкий срок службы, приходят алмазные. В них алмазная пластина играет роль твердотельной ионизационной камеры, под действием излучения в пластине появляется электрический ток очень малой величины (электролюминесценция), который пересчитывается прибором в количество радиации.

Электролюминесценция и детекторные свойства алмаза также применяются для определения уровня радиационной активности в бассейнах выдержки отработанного ядерного топлива на атомных электростанциях, в ускорителях частиц для определения положения в пространстве и количества потоков частиц с высокой энергией.

Технологияпроизводства алмазовиз смеси газовCVD (Chemical Vapor Deposition) развивается относительно недавно – с 1980-х годов. Ее бурный рост начался в конце 2000-х – начале 2010-х годов, так как у рынка появились запросы на некоторые искусственные материалы, которые раньше замещались натуральными. Дело в том, что искусственные алмазы примерно в 10 раз дешевле натуральных, и могут быть синтезированы в больших размерах и с заданными свойствами.

К тому же у искусственных алмазов есть ряд преимуществ перед натуральными. Так, в ювелирной промышленности для изготовления колье и браслетов часто требуется подобрать ряд примерно одинаковых по размерам и окраске камней. Сделать украшения из натуральных камней, каждый из которых индивидуален, очень непросто. А вот синтезировать ряд одинаковых алмазов искусственно вполне реально всего за 2-3 недели.

В промышленности преимущества искусственных алмазов еще более значимые: дело в том, что у натуральных камней бывают нежелательные включения других минералов. А вот камни, получаемые по технологии CVD, отличаются удивительной чистотой. Кроме того, натуральные камни имеют ограниченный размер, несколько миллиметров. Если же требуется кристалл размером 10 на 10 мм или пластина диаметром 25-50 мм, то таких натуральных камней попросту не бывает, а вот синтетические – да. Даже, если какой-то рекордный натуральный камень находится, никто не станет его резать на пластинки, чтобы использовать в лазерах, оптике, электронике или детекторах. Тут на выручку придет только синтетический алмаз.

Кроме того, наработанная практика позволяет определять заранее, какой теплопроводностью и оптической пропускаемостью и детекторной чувствительностью будет обладать эта искусственная алмазная пластина. Также на этапе роста синтетических алмазов можно производить их легирование – внедрение в кристаллическую решетку атомов других химических элементов, получая из алмазов материал с полупроводниковыми и квантовыми свойствами.

Обычно для технических применений сначала синтезируются алмазные пластины больших размеров – толщиной до 2-3 мм и диаметром до 100 мм. Затем из этих больших пластин лазером вырезается много маленьких элементов различных форм и размеров под конкретные применения. Потом эти пластины шлифуются и полируются до достижения необходимого уровня шероховатости.

Ювелирные алмазы натурального происхождения стоят примерно в 10 раз дороже искусственных. Если говорить об алмазных пластинах, то здесь цена очень индивидуальна в зависимости от размера и требуемой обработки (шлифовка и полировка могут занимать по времени и стоимости столько же, сколько сам синтез этой пластины).

Например, теплоотводящая алмазная пластина для лазеров диаметром 20 мм и толщиной в районе 2 мм, но с минимальной обработкой – стоит порядка 80-100 тысяч рублей. А небольшая оптическая деталь диаметром 10 мм и толщиной 0,5 мм, но с двухсторонней полировкой может стоить уже 100-150 тысяч рублей.

Цена ювелирных алмазов рассчитывается в зависимости от их размеров по таблицам Раппопорта, которые публикуются еженедельно и определяют стоимость алмазов при продаже в зависимости от его размера, чистоты и окраски. При индивидуальной продаже, 1 карат синтетического алмаза малого и среднего размера стоит от 400 до 1000 долларов США. Но эта цена очень вариативна и зависит от состояния рынка.

С увеличением размеров кристаллов их стоимость за 1 карат кратно увеличивается. Так, искусственный камень в 1,5-2 карата стоит примерно от 1000 до 2000 долларов за карат.

В противоположность этому, технология HPHT может предложить лишь весьма ограниченные по размеру алмазы, диаметром максимум 10 мм. Монокристаллические алмазы по технологии HPHT синтезируются гораздо быстрее, но их недостаток в том, что в них могут быть включения или измененный окрас: технические кристаллы получатся серыми или желтыми, что заметно снижает их стоимость.

Рынокювелирных алмазов – сложившийся, в ближайшее время он не будет увеличиваться. Его естественные ограничения – выработанность месторождений натуральных алмазов. А рынок этих камней для промышленности только зарождается. По прогнозам он сложится в течение ближайших 3-5 лет. Рынок синтетических алмазов в 2021 году оценивался в $14,08 млрд и планируется, что он будет расти со скоростью примерно 8% с 2022 до 2030 года (Synthetic Diamonds Global Market Report 2022).

В таких лабораториях, как CVD.Spark, заинтересованы сейчас крупные промышленные предприятия, для обеспечения потребностей которых могут потребоваться десятки или сотни реакторов для производства алмазных пластин.

Натуральные алмазы продолжают дорожать и переходят в премиум сегмент, потому что их разведанные запасы сокращаются. А синтетические камни займут свою нишу в масс-маркете.