В ФГУ «Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ТИСНУМ), который находится в Троицке, нанотехнологиями занимаются давно. Уже около полутора десятка лет учёные выращивают здесь искусственные драгоценные камни, которые охотно раскупают исследовательские центры нанотехнологий по всему миру. Наш корреспондент побывал на подмосковной «алмазной ферме» и пообщался с генеральным директором института Владимиром Бланком.

Уже сейчас алмазы используются практически во всех областях высоких технологий, и по всем прогнозам их роль будет только возрастать

Слово «алмаз» с древнегреческого àδáμας переводится как «несокрушимый», и по-арабски оно же означает — «твердейший». Это самый прочный в природе материал, который может сохраняться, не разрушаясь, сколько угодно долго. У него один из самых высоких среди минералов показатель преломления и дисперсия, поэтому при ярком освещении огранённый камень переливается всеми цветами радуги.

Помимо прекрасных оптических свойств, алмазы имеют рекордную среди твёрдых тел теплопроводность, абсолютно устойчивы к агрессивной кислотной и щелочной среде, рентгеновскому излучению и радиационному воздействию. Ну и стоит упомянуть такую «мелочь», как самый низкий коэффициент трения с металлом, что делает алмазы идеальным режущим инструментом. Плюс самый высокий среди всех имеющихся на Земле материалов модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Уже сейчас алмазы используются практически во всех областях высоких технологий, и по всем прогнозам их роль будет только возрастать.

Минералы ХХI века

В России в области производства алмазов вне всякой конкуренции находится ФГУ ТИСНУМ. Только в прошлом году, по словам генерального директора института, профессора, доктора физико-математических наук Владимира Бланка, здесь вырастили алмазов «порядка несколько тысяч карат». Если говорить грубо, то по весу это получается около одного килограмма драгоценных камней высшей пробы — не у всякого миллиардера найдётся такая большая «коллекция».

Владимир Давыдович, зачем нужны искусственные алмазы. Разве учёным не хватает природных? На планете ведь ещё немало месторождений, где их добывают в большом количестве.

— В отличие от синтетических, ископаемые алмазы не представляют для науки большой ценности. Во-первых, в природе встречается весьма мало драгоценных камней с абсолютно идентичными физическими и прочими характеристиками. Например, у компании «Де Бирс», которая была основана ещё в 1888 году в ЮАР и владеет половиной мирового рынка добычи, обработки и продажи этого минерала, существует классификация, по которой алмазы делятся на 15 тысяч категорий. Можно ли тут говорить о каком-то серийном использовании этих камней для создания тех или иных приборов? Разумеется, нет. Каждый из них на выходе будет выдавать разные данные.
Изделие из высокочистых монокристаллов алмазов

Во-вторых, даже самый качественный природный алмаз всегда имеет дефекты, невидимые глазу. А это может сказаться при экстремальных нагрузках, например, если они используются в качестве основы высокочувствительных датчиков температуры или ионизирующего излучения.

А в-третьих, ювелирные алмазы всегда содержат различные примеси, которые даже в малых количествах значительно ухудшают их оптические свойства. Обычно примешивается азот: 1 атом этого элемента на 1000—100000 атомов углерода. Мы же получаем монокристаллы, как минимум в 10 раз более чистые.

Гордимся мы и тем, что научились выращивать алмазы с определённой концентрацией примесей, в зависимости от требований той области промышленности, где они будут применяться.

Изделие из высокочистых монокристаллов алмазов

Где же конкретно они используются?

— Это и их традиционное применение в обрабатывающей промышленности для шлифовки современных сверхпрочных материалов, и радиооптика, и электроника. Из них изготавливают алмазные наковальни, позволяющие вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 миллиона атмосфер, оптические окна для мощных лазеров, высокочувствительные датчики температуры, ультрафиолетового, рентгеновского и радиационного излучений, малоинерционные нагревательные элементы, иглы для сканирующих зондовых микроскопов.

Весьма перспективно использование алмазов для создания полупроводников нового поколения. Кремниевый транзистор даже при незначительном повышении температуры или радиационного фона меняет свои характеристики и теряет способность качественно работать. А мы создали алмазный датчик, измеряющий с высокой точностью температуру от –200 до +500 градусов оС . Сто очков вперёд даст алмазный транзистор кремниевому при измерении радиационного фона, что очень важно для датчиков, применяемых на атомных электростанциях, реакторах подлодок и космических аппаратах. По разработанной в нашем институте технологии можно выращивать полупроводниковые монокристаллы p-типа с широким диапазоном удельного электрического сопротивления от 0,1 до 109 Ом·см. Область их применения с каждым годом расширяется.

В России в области производства алмазов вне всякой конкуренции находится ФГУ ТИСНУМ. Только в прошлом году здесь вырастили алмазов «порядка несколько тысяч карат»

Растворяем графит в металле

В природе алмазы образуются в толще земной коры на глубине в десятки километров: при давлении в тысячи атмосфер, определённом химическом составе окружающей среды и температуре около полутора тысяч градусов по Цельсию. Процесс это весьма длительный, но в лабораторных условиях воспроизвести его (да ещё и ускорить) весьма сложно, но всё-таки возможно. Ещё в середине ХХ века учёные уже отлично справлялись с работой по синтезу алмазов. Их получали в особых камерах путём прямого фазового перехода из графита, используя энергию взрывной волны, — чаще всего для этого применяют тринитротолуол. Но такие монокристаллы алмаза (их ещё называют детонационными или взрывными) получаются размером не более 1 мм. И используют их до сих пор в промышленности лишь как порошок или абразивный материал. Заставить кристаллы таким способом ещё «подрасти» оказалось невозможно: увеличение в размерах резко сказывается на их качестве. А сейчас промышленность требует алмазы как минимум в 5—10 раз крупнее.

Для этого и был разработан «метод температурного градиента», который сейчас с успехом используют в ТИСНУМе.

Традиционное применение алмазов — обрабатывающая промышленность для шлифовки современных сверхпрочных материалов, радиооптика, электроника…

В данном случае применяются камеры высокого давления. Их сердцевину — реакционную ячейку — наполняют катализатором — особым сплавом металлов на основе железа. Среди добавок к железу — металлы, которые поглощают примеси азота и кислорода. Сюда же вводят высокочистый графит и детонационный кристалл — затравку, размером 0,5—0,6 мм. Затравку, кстати, тоже делают в ТИСНУМе.

В камере поднимают давление до 5,5 ГПа и нагревают её до 1300—1500 оС. Дальше начинается самое интересное: реакционная ячейка устроена так, что температура в ней не везде одинакова. Графит находится в самой горячей точке, а затравка — в холодной. Первый начинает растворяться в металле, и его атомы диффундируют в зону с более прохладной температурой, в итоге оседая на затравке. Всё! Процесс контролирует компьютер, а люди могут идти заниматься своими делами.

Через 4—5 дней уже есть алмаз весом 1 карат, а через три-четыре недели — 5–6 карат.

Также в зависимости от предполагаемого технического задания в металл-катализатор перед началом процесса вводят разные добавки, которые обеспечивают кристаллу нужные свойства.

В институте — 26 установок, в которых учёные «взращивают» свою продукцию. Пока возможный максимальный вес каждого камешка — 5—6 карат.

В институте — 26 установок, в которых учёные выращивают свою продукцию. Пока возможный максимальный вес каждого камешка — 5—6 карат

А недавно в институт впервые поступил заказ на кристаллы в 10 карат, так что некоторые из «инкубаторов» придётся переделывать. В год, как уже упомянул Владимир Бланк, в ТИСНУМе можно вырастить алмазов на несколько тысяч карат. По его словам, пока лишь 15—20 процентов уходит на внутренний рынок, остальное — экспорт. Основные покупатели — Япония, США, Западная Европа. Вся продукция распределяется по институтам и лабораториям, занимающимися исследованиями в области нанотехнологий — только для использования учёными. Для модниц эти «драгоценности» дороговаты, хотя и дешевле, чем природные. Себестоимость производства 5-каратового кристалла составляет около 400 долларов за карат, а его цена в розницу — 4—10 тысяч долларов в зависимости от заданных характеристик камня. Автор: Андрей Моисеенко