Алмазный век грядет: Синтетические алмазы

При температуре 1200оС под давлением примерно 50 тыс. атмосфер углерод кристаллизуется в самый твердый из известных материалов. Именно так сформировались алмазы глубоко в земной коре 3,3 млрд. лет назад. Воссоздать такие условия в лаборатории непросто, но попыток предпринималось немало. Начиная с середины XIX века десятки «алхимиков» пострадали в результате несчастных случаев, происшедших при попытках изготовить алмазы. Последние десятилетия принесли успех, пускай скромный. Начиная с 1950-х инженеры научились вырабатывать мелкие кристаллы для промышленного применения — покрытия пил, буровых коронок и шлифовальных кругов. Но летом 2003 года на рынок попала первая волна искусственных алмазов ювелирного качества. Делать их научились две компании — Gemesis во Флориде и Apollo Diamond в Бостоне.

Неожиданный выход на рынок искусственных камней грозит необратимо трансформировать алмазную индустрию, ежегодный оборот которой оценивается в $7 млрд. Но важнее другое — массовое производство алмазов открывает двери разработке алмазных полупроводников. Оказывается, алмаз — не только самый твердый камень на земле, он также обладает самой высокой теплопроводностью. Сегодняшние полупроводники греются примерно до 100оС, а при дальнейшем нагревании просто перестают работать. Алмазные микросхемы, напротив, можно греть до температур, когда обычный кремний уже давно бы расплавился.

Международный концерн De Beers уже 115 лет как монополизировал алмазный бизнес, уничтожая конкурентов путем регулирования предложения алмазов на рынке. За свою долгую историю De Beers пережила многочисленные африканские восстания, боролась с американским антимонопольным законодательством, уклонялась от обвинений в эксплуатации несчастных рабочих третьего мира. Не сломило ее монополию и открытие многочисленных алмазных месторождений в Австралии, Канаде и Сибири. У компании громадный рекламный бюджет и полный Контроль над каналами распространения камней. Но чего у De Beers нет — так это отставного бригадного генерала Картера Кларка.

Картеру Кларку 75 лет. Он ушел в отставку более 30 лет назад, но командных навыков так и не утратил. Когда генерал появляется в офисе компании Gemesis, которую он основал в 1996 году с целью наладить массовое производство алмазов, сотрудники встают в приветствии. Иначе нельзя. Особенно учитывая, что «Генерал», как его тут прозвали, постоянно отдает своим подчиненным честь, как будто они — его армия, которая идет в бой. «Я был в Корее и Вьетнаме», — сообщает Генерал, отдав мне честь в приемной. — Так что уж поверьте, справлюсь и с алмазным бизнесом». Кларк показывает мне свою новую фабрику, расположенную в промышленной зоне недалеко от города Сарасота (Флорида). В здании планируется разместить машины для производства алмазов, которые похожи на медицинские приборы поддержания жизни. В строю 27 таких машин. Компания Gemesis надеется вводить в строй по 8 штук ежемесячно. В этом ангаре их число должно достичь 250-ти. Другими словами, Gemesis готовит первый удар по алмазному бизнесу.

Кларк не собирался становиться алмазным королем. Идея пришла случайно, во время его поездки в Москву в 1995 году. Его тогдашняя компания — Security Tag Systems — была одной из первых, кто привез в Россию метки, мешавшие воровать вещи из магазинов. Так он познакомился с Юрием Семеновым, который руководил одним из научно-технических бюро, по государственной программе занимавшихся продажей военных технологий советских времен западным инвесторам. Но у Семенова была идея получше — он предложил Генералу выращивать алмазы. Через несколько часов у Кларка на столе лежал проект двухтонного агрегата, который при помощи гидравлики и электричества фокусировал все возрастающие объемы тепла и давления в центре сферы. Генералу сообщили, что прибор воссоздает условия, существующие на глубине 150 км под землей, где и формируются алмазы. Поместите осколок алмаза в земную кору, добавьте углерода, и алмаз станет расти. В 1954 году компания General Electric именно так и поступила, прессом в 400 тонн выдавив душу из углерода. Устройство General Electric позволяло вырабатывать недорогую алмазную пыль для промышленного применения, а в начале 1970-х компания научилась делать алмазы весом целых 2 карата. Но для этого требовалось столько усилий и электроэнергии, что получалось дороже, чем купить настоящий алмаз из шахты. Русские утверждали, что их конструкция недорога, потребляет не больше энергии, чем несколько ламп накаливания, и будет выдавать по трехкаратному камню раз в несколько дней. И что Генерал сможет получить такую машину всего за $57 тыс.

Три месяца спустя, зимой, Кларк вернулся в Москву. Его встретили телохранители и отвезли на склад под Москвой. В холодном, неотапливаемом помещении он наблюдал, как Николай Полушин — один из сибирских ученых, придумавших устройство — поднял верхнюю половинку сферы, достал небольшой керамический куб, ударил по нему молотком и передал Кларку небольшой алмаз. Все улыбались. В конце концов Генерал заказал три машины и попросил Семенова отправить их во Флориду.

Но существовали и две проблемы. Во-первых, никто в США не умел работать с такими машинами. Эту проблему Кларк решил, переселив команду русских во Флориду. Во-вторых, русские и сами-то не слишком хорошо овладели процессом. Работу машины пока нельзя было назвать надежной. Генералу и его новой компании Gemesis срочно была нужна помощь. Он обратился к иранцу по имени Реза Аббашайн, эксперту в области кристаллов, который возглавлял кафедру материаловедения в университете штата Флорида. Аббашайн согласился доработать машину. При помощи своих студентов он выкинул всю русскую автоматику и установил компьютерные системы. Коллектив заменил блок питания и методично отслеживал малейшие нюансы работы машины. Учитывая, что приходилось одновременно контролировать более 200 параметров, работа была нелегкой.

К 1999 году усилиями Аббашайна у Генерала были очень высококачественные камни. И Кларк полетел в Лондон, чтобы показать их группе потенциальных инвесторов. Вместо того чтобы просто высыпать груду алмазов перед ними на стол, он отправился к ювелиру в Хаттон Гарден, алмазный район британской столицы, и попросил, чтобы его камни оправили в кольца. Ювелир согласился, и Кларк вернулся в свой отель. Зазвонил телефон. На проводе была компания De Beers. По словам Кларка, чиновника из De Beers Джеймса Эванса Ломби предупредили о синтетических камнях менее чем через два часа после их прибытия к ювелиру. Ломби попросил о встрече с Генералом и приехал прямо в гостиницу, где и состоялась их беседа за чаем под звуки пианино и скрипичного дуэта.

Представители компании De Beers отказываются говорить об этой встрече — да и обо всем остальном, касающемся этой истории — но Кларк рассказывает, что просто выложил свои козыри. «Когда я сообщил, что собираюсь открыть фабрику по массовому производству таких камней, чиновник побелел. В De Beers знали о существовании технологии, но надеялись, что она так и останется в России и никто не сможет довести ее до ума. К концу разговора его руки тряслись», — вспоминает Кларк.

Но De Beers не сдавалась. В течение 2000 года картель запустил «Программу защиты камней», цель которой — информировать покупателей алмазов о том, что на рынке появились искусственные камни, и стал поставлять свои проверочные машины (модели DiamondSure и DiamondView) в крупнейшие в мире ювелирные лаборатории. Раньше такие лаборатории анализировали и сертифицировали цвет, прозрачность и размер камней. Теперь их просят также отличать рукодельные камни от ископаемых. Прибор DiamondSure просвечивает камень и анализирует показатель преломления. Если камень кажется подозрительным, его проверяют на приборе DiamondView, который выясняет внутреннюю структуру алмаза. Еще в 1996 году ученые De Beers писали, что идеально было бы иметь простой прибор, который смог бы отличать искусственные алмазы от натуральных. Но, к сожалению, в ближайшее время такой прибор создать не удастся, поскольку синтетические алмазы — все равно алмазы, как химически, так и физически.

Летом 2001 года Аббашайн сообщил Генералу, что готов, наконец, к массовой выработке алмазов. Оставалось принять одно, последнее решение. Каждая машина могла вырабатывать по одному желтому камню весом три карата каждые три дня (бесцветные камни вырабатываются дольше). Учитывая их редкость, удельная цена карата желтых алмазов настолько выше, что позволить себе такие камни могут только очень богатые люди. К тому же за последние годы цветные алмазы вошли в моду (в обручальном кольце у Дженнифер Лопез, например, был розовый алмаз). Кларк решил, что вызовет наибольший шум, принеся желтые камни на рынок американского «среднего класса». Он собирался конкурировать как по цене (продавая свои камни на 10%-50% дешевле), так и по стилю. И, в случае победы на рынке желтых камней, перейти на рынок бесцветных. Но алмазная индустрия нанесла ответный удар. В начале 2002 года De Beers начала поставки улучшенных моделей DiamondSure. Тем временем лоббисты добились требования Федеральной торговой комиссии США, чтобы Gemesis маркировала свои камни как синтетические.

Gemesis строит свой маркетинг на утверждении, что синтетические камни лучше натуральных. Генерал предлагает называть свои алмазы «культивированными». Это намеренная отсылка к бешено популярному (и гораздо более ценному, чем натуральный) искусственному жемчугу.

«Если вы предложите женщине выбрать между 2-каратным и 1-каратным алмазом, что она, по-вашему, выберет при прочих равных? — вопрошает Генерал. — Важно ли ей, какие из них натуральные? Будут ли к ней подходить с вопросами о натуральности камней в ее украшениях?» «Да ни за что!» — отвечает он сам себе. С ним не согласен Джеф Ван Ройен, который представляет Высший алмазный совет Бельгии: «Если люди по-настоящему любят друг друга, они дарят настоящие камни. Не может быть символом вечной любви нечто, созданное на прошлой неделе».

Это и есть официальная линия De Beers. Ван Ройену не нравится аналогия с искусственным жемчугом, скорее уж речь может идти о синтетических изумрудах, которые появились в огромных количествах в середине 1970-х. Вначале цена была очень высокой, но ювелирные лаборатории быстро поняли, что отличить синтетику можно с помощью обычного микроскопа. Цена упала, и теперь они стоят не более 3% от натуральных.

Ван Ройен рассказал мне и о другой угрозе. Ходят слухи о новой методике выращивания алмазов ювелирного качества. Процесс представляет собой химическое осаждение паров (chemical vapor deposition — CVD) и уже более десятилетия используется для покрытия больших поверхностей микроскопическими кристаллами алмазов. Эта технология основана на превращении углерода в плазму, которая затем осаждается на подложку в виде алмазов. Ранее существовала только одна проблема — никто не мог научиться выращивать таким образом цельный алмаз. «По крайней мере, до сих пор было так», — добавляет Ван Ройен. Компания Apollo Diamond, темная лошадка из Бостона, по слухам, научилась. Если это правда — индустрии и правда грозит крах, так как алмазы, созданные по технологии CVD, можно выращивать огромными брикетами, а после резки и полировки они будут неотличимы от натуральных камней. «Но таких алмазов никто в Антверпене не видел, так что мы даже не знаем, существуют ли они на самом деле», — говорит Ван Ройен. Тогда я достаю из кармана коробочку от 35-мм фотопленки и кладу ее на стол. Внутри, на подушечках, лежат два маленьких алмаза. «Поверьте мне, они существуют», — сообщаю я ученому.

За три дня до поездки в Бельгию я слетал в Бостон и встретился с Бриантом Линаресом, президентом компании Apollo Diamond. После 45-ми-нутной беседы в машине он, видимо, решил, что со мной все в порядке и я не шпион De Beers. Мы вошли в помещение, и я увидел человека, с головы до ног одетого в герметичный костюм, хорошо известный благодаря рекламе Intel. «Добро пожаловать в компанию Apollo Diamond», — подтолкнул меня Линарес и быстро закрыл дверь. Он выдал мне герметичный костюм, в том числе бутсы, очки и шапочку для волос. В комнате были трое в похожей одежде. Они стояли вокруг цилиндрического аппарата, похожего на промышленный кофейник, оборудованного засовом на иллюминаторе. Из окошка светило сверхъестественным зеленым. Я заглянул через стекло. Там, за мерцающим зеленым облаком, росли четыре алмаза. «К этому я шел очень долго», — рассказал мне один из людей, стоявших возле машины. Это Роберт Линарес, отец Брианта. В 1980-х он был известным исследователем в области сложных полупроводников. Его компания, Spectrum Technology, известна благодаря вводу в производство технологии использования пластин арсенида галлия в качестве полупроводниковой подложки, заменившей кремний и позволившей сотовым телефонам стать меньше и использовать большую полосу частот. Линарес-старший продал свою компанию корпорации PacifiCorp и в 1985 году исчез из мира полупроводников. Оказывается, на свои деньги он построил секретную лабораторию для исследования алмазов. «Я понимал, что рано или поздно алмазы станут совершенными полупроводниками, хоть никто в это и не верил. После продажи компании я мог делать что хотел, и я потратил 15 лет на собственные исследования», — рассказал Линарес.

Чтобы вырастить монокристалл алмаза методом CVD, сначала нужно угадать точное сочетание температуры, плотности газа и давления, «ту самую точку», в которой начинается создание единого кристалла. В противном случае на вас прольется дождь из несчетного количества мелких алмазов. Найти «ту самую точку» примерно так же непросто, как найти конкретную песчинку на берегу. Из миллионов комбинаций подходит только одна. И в 1996 году Линарес ее нашел. А в июне 2003 года он, наконец, получил патент на свой процесс и уже вырабатывает безупречные алмазы, планируя вскоре начать продажу камней на ювелирном рынке. Но это — только первый шаг. На деньги от продажи камней Роберт и Бриант Линаресы рассчитывают заняться разработкой алмазных полупроводников. Неудивительно, что алмазная индустрия не в восторге от их планов, в чем убедился Линарес-младший пять лет назад, посетив конференцию в Праге. Во время перерыва к Линаресу подошел человек и посоветовал быть осторожнее. «Он сказал, что исследования моего отца — верный путь получить пулю в голову», — вспоминает Линарес.

Алмазная индустрия, вообще-то, гораздо больше боится камней, созданных по технологии CVD, чем камней от Gemesis, хоть последняя и представляет непосредственную угрозу. По идее, метод CVD даст чрезвычайно чистый кристалл. Алмазы от Gemesis растут в металлическом расплаве, и небольшие частички металлов попадают в решетку алмаза при его росте. Алмазы CVD, напротив, осаждаются, образуя почти стопроцентно чистый кристалл, и поэтому неотличимы от натуральных. Но наибольший потенциал технологии CVD лежит в использовании их в компьютерах. Если алмаз станет применим в полупроводниках, потребуется метод недорогого выращивания камней в больших пластинах. (Кремниевые пластины, которые использует Intel, например, имеют диаметр около 30 см). А размер CVD ограничен только размером зерна, которое заложат в машину. Процесс начинается с квадратной пластины. Камень растет в форме призмы, где верхняя часть слегка шире основания. За годы, прошедшие с момента обнаружения «той самой точки», компания Apollo училась выращивать алмазы все большего размера, отрезая верхушку от одного и используя ее как базу для другого алмаза. На сегодня компания способна вырабатывать 10-мм пластины, но за 5 лет планирует достичь 10 см. Карат стоит около $5.

Но вернемся в Высший алмазный совет. Я вытряхиваю камни от Apollo на стол. Ван Ройен неуверенно поднимает один из них длинным пинцетом и кладет под микроскоп. «Невероятно! Можно рассмотреть?» — спрашивает он. Я соглашаюсь оставить ему камни на ночь. Утром Ван Ройен выглядит уставшим. Он признает, что почти всю ночь изучал камни. «Думаю, что отличить их все же смогу: они слишком идеальны для натуральных алмазов. В природе все имеет изъяны. А у этого камня их практически нет», — резюмирует ученый. И добавляет на прощание: «В ваших руках нечто, чего нет больше ни у кого в Антверпене. Если хотите понять, насколько на самом деле важны эти камни, поговорите с Джимом Батлером из ВМФ США».

Джим Батлер возглавляет группу при ВМФ, которая занимается исследованием алмазов. Батлер изучал процесс CVD на протяжении 16 лет и повидал немало разочарований за этот срок. Но сегодня он — оптимист. Существовали три проблемы на пути к алмазному процессору. И похоже, все три готовы пасть. Во-первых, алмазы считаются бешено дорогими из-за политики De Beers, которая не отпускает цены на рынке. Синтетические алмазы решат эту проблему. Во-вторых, не было надежного источника больших и чистых камней. На ископаемые алмазы рассчитывать нельзя, так как невозможно обеспечить одинаковые электрические характеристики камней. Алмазы от Apollo решают и эту задачу. В-третьих, была проблема, над которой ломали головы материаловеды всего мира. Чтобы сделать микросхему, нужны полупроводники p- и n-типа. Алмаз — естественный изолятор, он не проводит электрический ток. Gemesis и Apollo смогли ввести в кристаллическую решетку алмаза бор, который создает нужный тип проводимости p-типа. Но до сих пор никто не смог создать в алмазе проводимость n-типа. При встрече со мной в Вашингтоне Батлер едва мог сдержать ликование. Он сообщил мне, что совершен прорыв — в июне 2003 года, совместно с учеными из Израиля и Франции, Батлер объявил о том, что найден способ инвертировать природную проводимость бора и создавать легированные бором алмазы n-типа. «Таким образом, мы получили p-n-пару. Другими словами, работающий полупроводник. На горизонте уже алмазный Pentium!» — радуется Батлер.

Однако ученого огорчают настроения в компьютерной индустрии США. Если не поторопиться, считает он, японцы и европейцы вырвутся вперед. И действительно, в разговорах с главными шишками компании Intel выяснилось, что они даже не знали о последних достижениях в области алмазных полупроводников. Кришнамурти Сумианат, один из боссов компании Intel, говорит, что освоение нового материала занимает около 10 лет, а в кремний вложено столько, что отказываться от него компания пока не намерена.

Но в один прекрасный день выхода у изготовителей микросхем не останется. Бернард Вунеш, профессор материаловедения в Массачусетсском технологическом институте, прямо говорит: «Если закон Мура не падет, микросхемы будут становиться все горячее и горячее. И кремний в какой-то момент просто потечет. Алмаз — вот решение проблемы».

Статья впервые опубликована в журнале © Wired