Неоконченная история искусственных алмазов

Кристалл алмаза — это как бы разросшаяся во все стороны молекула из атомов углерода. И в этой «молекуле» энергия связи соседних атомов друг с другом и расстояния между ними примерно такие же, как энергия связи и расстояния между атомами в молекулах насыщенных углеводородов. Один из них — метан; его молекула представляет собой как бы удобный по размеру каркас, контейнер, содержимым которого в принципе может надстраиваться кристаллическая решетка алмаза.

Однако вопросов, на которые Дерягин знал ответ, было, естественно, не так уж много. И Спицин под руководством Дерягина начал свое исследование.

Спустя примерно полгода Дерягин и Спицин представляли себе что-то вроде «общего плана», в котором были три главные задачи.

Задача первая. Чтобы наращивать алмазный кристалл без высокого давления, нужны свободные атомы углерода либо, еще лучше, свободные радикалы или иные молекулярные «блоки», близкие по конструкции к структуре алмазной решетки. Задача не так проста, как может показаться: многие соединения углерода при повышении температуры немедленно полимеризуются, образуя все более крупные молекулы.

Задача вторая. Свободные атомы углерода (или группы атомов) должны двигаться с весьма большой скоростью, чтобы преодолеть отталкивание одноименно заряженных атомов поверхности алмаза. Иными словами, нужна очень высокая температура.

Задача третья. С поверхностью алмаза должно сталкиваться не больше атомов углерода, чем имеется свободных связей на этой поверхности. Иначе произойдет нечто подобное тому, как если бы каменщику стали подавать не по одному кирпичу, а сразу три или пять. Вместо ровной стенки получилась бы куча кирпичей. Вместо прозрачного алмаза нарастет черный слой графита.

Условия были очень трудными, но, как справедливо заметил еще Лейпунский, не безнадежными…

Объективные условия для серьезных поисков способа вырастить алмазный кристалл без высокого давления, наверное, к тому времени вполне созрели. В то самое время, когда в Институте физической химии начали заниматься алмазом, который должен был расти «из газа», служащий одной из американских авиационных компаний, Джон Бринкман, размышлял о таком же выращивании алмазов, — только не в газе, а в расплавленном металле.

Брицкман знал, что Руфф, повторив в 1917 г. опыт Муассана, пытался затем усовершенствовать этот способ. В науглероженный металлический расплав он помещал затравочный кристаллик алмаза, рассчитывая, что тот подрастет. Алмаз расти не пожелал.

За четыре десятка лет, прошедших с того времени, появилось множество новых сведений о кристаллизации алмаза. Из них, в частности, следовало, что Руфф неправильно определил температуру, потребную для эпитаксиального роста. Бринкман взял графитовый тигель (графит мог выдержать очень высокую температуру и одновременно служил источником углерода) и стал в нем плавить разные металлы и опускать в расплав крупинки алмаза.

Он проделал множество опытов и никаких изменений с затравочными кристалликами не обнаружил. Но вот однажды, когда находившееся в тигле расплавленное серебро было нагрето до 3000°, кристаллики алмаза заметно потяжелели.

В 1962 г. стало известно об опытах В. Г. Эверсола из фирмы «Юнион карбайд» в США. Вместо четырехиодистого углерода, применявшегося Дерягиным и Спициным, Эверсол пользовался метаном (как в 1911 г. Болтон), пропаном, этаном, хлористым метилом. Схема его опыта казалась простой: Эверсол брал обычный алмазный порошок, продувал над ним нагретый до 900 — 1100° газ, и часть углерода оседала на алмазных кристалликах новым алмазным слоем. Чем мельче были пылинки, тем лучше они росли (естественно: у мелкого порошка больше общая поверхность). В одном из опытов, когда размер пылинок не превышал десятой доли микрона (т. е. поверхность 1 г этой пыли была 20 м²), на этом грамме наросло еще 600 мг алмаза.

Правда, одновременно осаждялся и графит. Так что время от времени аппарат приходилось останавливать, извлекать алмазный порошок и кипятить его в кислотах, чтобы вся копоть растворилась, или пропускать над порошком горячий водород, чтобы графит прореагировал с ним. За то время, что длился этот опыт, наращивание прекращали 80 раз — и каждый раз на 16 часов.

Для реального промышленного процесса все это еще не подходило, но главное было в другом — опыты Эверсола и аналогичные эксперименты в Институте физической химии АН СССР доказали: алмазы можно выращивать без высокого давления. Может быть, «этим способом» росли и природные алмазы? Ведь вот в Якутии на трубках «Удачная» и «Зарница» ударили метановые фонтаны, а «Каменная», «Оливиновая» и другие безалмазные трубки (хоть и кимберлитовые) оказались без малейших признаков газа… Кто знает!