Неоконченная история искусственных алмазов

«…Чтобы быть уверенным в получении алмаза, кристаллизацию необходимо производить:

   1)  при таких давлениях, когда алмаз является более устойчивой фазой, чем графит;

   2)  при достаточно малых скоростях, чтобы не проявились преимущества графита как кинетически более вероятной фазы;

   3)  при таких температурах, когда возможны перестройки в кристаллической решетке, чтобы в случае образования графита последний мог перейти в алмаз.

Перестройки в решетке алмаза начинаются с 1700 — 1800°, и при этой температуре нет оснований ожидать, что решетка графита будет устойчивее. Поэтому температура в 2000° К является минимальной для получения алмаза из графита в твердой фазе, причем опыт должен производиться при таком давлении, когда алмаз при этой температуре устойчивее графита, т. е. при давлении порядка 60 000 ат.

Техника высоких давлений в настоящее время позволяет поддерживать в течение длительного времени давление 50 000 ат… Дальнейшее увеличение этого предела до 60 000 — 70 000 ат, по-видимому, осуществимо, хотя оно потребует очень большого труда при подборе соответствующих твердых сплавов. Нагрев графитовой массы до 2000° при большом давлении представляет меньшие трудности и может быть осуществлен изнутри. Но все же опыт при 60 000 — 70 000 ат является опытом будущего, хотя, может быть, и весьма недалекого.

Давление, необходимое для кристаллизации алмаза в области его устойчивости, может быть уменьшено, если удастся понизить температуру, при которой возможна кристаллизация. Известно, что наличие среды, являющейся растворителем для твердой фазы или вступающей с ней в нестойкие химические соединения, может значительно облегчить рекристаллизацию…

С принципиальной точки зрения, в железе можно выкристаллизовать алмазы (или вызвать рост внесенной затравки) при температуре 1500 — 1700° К, для чего потребуется давление порядка 45 000-50 000 ат.

Такой опыт находится в пределах возможностей техники сегодняшнего дня…

Алмаз может оказаться устойчивее графита и при небольших давлениях, если поверхностная энергия алмаза меньше поверхностной энергии графита. При этом условии для кристаллов очень малых размеров суммарная (т. е. объемная + поверхностная) энергия алмаза будет меньше, чем энергия графита, т. е. очень мелкие кристаллы алмаза будут устойчивее очень мелких кристаллов графита.

Однако эксперимент, в котором можно было бы реализовать это соотношение, следует проводить в условиях, когда исключена возможность рекристаллизации, а тогда ход кристаллизации будет определяться кинетическими соотношениями, а не термодинамическими…

В области, где графит более устойчив, чем алмаз, получение алмаза не является невозможным, так как во всяком случае алмаз термодинамически более устойчив, чем жидкий или газообразный углерод (при р>р_насыщ.). Здесь решающую роль должна играть кинетика образования зародышей и роста кристаллов алмаза и графита.

Если образование зародыша алмаза менее вероятно, чем образование зародыша графита, то очень существенно наличие готовой алмазной затравки.

Попытки кристаллизации в присутствии алмазной затравки из газовой фазы и из раствора производились при низкой температуре и дали отрицательный результат. Так, Руфф пытался наращивать алмаз из сплава при 800°, но при этом растворимость углерода в сплаве была ему неизвестна. Подобный опыт — в особенности кристаллизации из раствора — не представляется все же безнадежным, если взять хороший растворитель, например железо.

Трудность такого опыта заключается в надлежащем подборе температуры кристаллизации. Для возможности роста кристалла необходимо некоторое пересыщение раствора. При этом небольшое пересыщение для алмаза будет более значительным для графита, так как равновесная концентрация растворенного или газообразного углерода над графитом меньше, чем над алмазом, поскольку алмаз менее устойчив. А так как вероятность образования зародыша растет с величиной пересыщения, то пока идет медленный рост кристалла алмаза, на нем может образоваться зародыш графита, который направит дальнейшую кристаллизацию по пути образования графита.

Следовательно, температура алмаза должна быть такова, чтобы, с одной стороны, пересыщение раствора над ним было достаточно велико для обеспечения кристаллизации с нужной скоростью, а с другой стороны, чтобы пересыщение относительно графита было достаточно мало, чтобы во нремя роста алмаза не образовался зародыш графита.

Условия для эксперимента очень трудные, но, может быть, не безнадежные…

В той случае, когда вероятность образования зародышей алмаза сравнима с вероятностью образования зародышей графита, путем закалки можно получить небольшие кристаллики алмаза. Если в опытах Муассана были получены алмазы, то их количество составляло 10^-4 по весу от имевшегося в железе графита (на основании данных Руффа). Эту цифру можно в данном случае рассматривать как примерную величину отношения вероятностей образования зародышей алмаза и графита.

Исходя из этой величины, мы могли бы ожидать, что при опытах с жидким углеродом в 10 г графита должен содержаться 1 мг алмаза. Однако анализ застывшего расплавленного угля не обнаружил наличия алмаза.

Впрочем, может быть, этот путь не безнадежен при осуществлении достаточно быстрой закалки. Уголь плавится при 4000° К, и при этой температуре уже само излучение вызывает быстрое охлаждение. Так, например, для капель диаметром в 1 см начальная скорость охлаждения имеет величину порядка 2500° в 1 сек и для охлаждения капли до 2500° К, т. е. до температуры, при которой рекристаллизация алмаза в графит уже затруднена, требуется около 2 сек. Дальнейшее увеличение скорости закалки представляет большие трудности, но тем не менее попытки в этом направлении следует рассматривать как один из возможных путей.

Наконец, известный интерес могут представлять попытки получения больших кристаллов из малых путем спекания, подобно тому, как изготовляют вольфрамовые стержни, изделия из твердых материалов и т. д. Так, например, Дельтер наблюдал спекание кусочков алмаза при 2000°…».