(Статья недели. «ХиЖ» 2021 №9)
Пространство погружено во время, и поэтому у всего есть история; есть она и у алмаза. И ее последние три четверти века более интересны для нас, нежели предшествующие века. Потому что это история создания искусственного алмаза — а значит, история и науки, и страны, в которой мы живем.
Почему алмаз
Но прежде всего — почему алмаз? Причина — наша, то есть человеческая, глупость. Мы уклоняемся от рассмотрения мира в его сложности и многообразии, мы ленимся строить адекватные модели, мы делим все на черное и белое и всегда ищем «самое». Алмаз считался и по сей день считается самым твердым веществом. У твердости нет фундаментального физического определения, это композиционный параметр, и она зависит от того, как ее измерять, но для психологии это не имеет значения. На слово «самое» дрессированная рыбешка клюет безотказно.
Физика алмаза замечательно интересна, но это можно сказать, наверное, о любой физике. Во всяком случае, это скажет любой физик о своей области. Интерес именно к алмазу подогревается, во-первых, инженерными, техническими применениями (о них мы еще как-нибудь расскажем), во-вторых, некоторыми его дейс твительно уникальными параметрами, на которые опирается это применение, а в-третьих — его ролью в культуре. Если судить о роли в культуре по количеству ссылок в Интернете, то алмаз занимает среди драгоценных камней первое место; следующие по популярности — жемчуг и рубин. Роль в культуре опирается на уникальные параметры, но еще и на психологию. Например, сапфир и рубин могут быть и дороже алмаза, и смотреться симпатичнее, но алмаз имеет больший коэффициент преломления и дисперсию, что позволяет его огранить так, что он будет сверкать и привлекать внимание. Ради чего его и нацепляют на себя.
Большая роль в культуре и технике повлекла многочисленные попытки синтеза алмаза. Всерьез проблемой занялись в середине прошлого века, и в СССР — мы подбираемся к теме данной статьи — эти попытки были очень сильно переплетены с государственной, то есть партийной, машиной. Это переплетение делает тему особо интересной — и тут нам неожиданно и сильно повезло. Журнал «Успехи физических наук», который представлять нашим читателям не требуется, опубликовал статью «Загадки синтеза алмаза в Институте физики высоких давлений АН СССР». Автор — Сергей Михайлович Стишов — академик РАН, директор, позже — научный руководитель Института физики высоких давлений, завкафедрой в МФТИ. Специалист в области физики фазовых переходов, физики высоких давлений и техники эксперимента, автор статей в нашем журнале (1991, 4, 5). Он предваряет свою статью такой аннотацией:
«На основе архивных материалов описывается история синтеза алмаза в Институте физики высоких давлений АН СССР (ИФВД). Многие детали этой истории неясны до сих пор. В частности, неизвестно, кто был тот сотрудник ИФВД, увидевший в своем аппарате первый синтетический алмаз в СССР. Не вполне также ясно, почему группа высоких давлений в Институте кристаллографии АН СССР, чрезвычайно близкая к успеху, была безжалостно уничтожена. Описанная история дает определенное представление об организации науки в СССР, часто идеализируемой в настоящее время».
Первые попытки синтеза
Опираясь на статью Стишова, попробуем рассказать об истории синтеза алмаза. Попытки получения искусственного алмаза предпринимали издавна и много раз; вот две, самые известные. Английский химик Джеймс Хенней в 1880 году нагревал различные органические вещества в стальных трубах, заваренных кузнечным способом. Он получил прозрачные кристаллики, переданные затем на хранение в Британский музей. Мало кто верил, что кристаллики Хеннея представляют собой алмазы. Тем не менее многими годами позднее английский кристаллограф Кэтлин Лонсдейл исследовала эти кристаллики с помощью рентгеновского анализа, и, к общему удивлению, кристаллики действительно оказались алмазами.
Метод Хеннея, как мы теперь знаем, не мог обеспечить необходимые условия (давление и температуру) для получения алмазов, таким образом, появление алмазов в его опытах — загадка. Возможно, он использовал алмазные кристаллики в качестве затравки и принял какие-то из них за продукт своих исследований, или кто-то просто подкинул их в шихту. Немного позже, в 1897 году, французский химик Анри Муассан кристаллизовал углерод из расплавленного железа и получил кристаллики; но они оказались карбидом кремния — железо содержало примесь кремния. В качестве некоторого курьеза заметим, что именно карбид кремния (муассанит) нынче применяют как имитатор алмаза — у него немного меньше дисперсия, зато выше коэффициент преломления (у другого имитатора, фианита, — наоборот).
В середине прошлого века три страны, США, СССР и Швеция, лишенные в то время природных алмазов, озаботились проблемой их искусственного получения. Одна из причин — потребность в алмазных фильерах для вытяжки вольфрамовой проволоки, из которой делали нити накаливания электрических лампочек и нагреватели катодов электронных ламп. Второе применение менее известно, но это вся тогдашняя электроника и важнейший кусок теперешней. В США или в Швеции задача синтеза алмаза ставилась на уровне отдельной, хотя и крупной компании. В СССР же она приобрела общегосударственное значение благодаря постановлению Совета Министров СССР от 28 августа 1947 об организации работ по получению искусственного алмаза.
Этим постановлением Институту кристаллографии поручалось приступить к проведению «исследовательских и экспериментальных работ по получению искусственного алмаза», а Институту органической химии, в котором была лаборатория высоких давлений, — изготовить аппаратуру высокого и сверхвысокого давления для синтеза алмаза. Для общей характеристики ситуации заметим, что в СССР если одно предприятие писало письмо в другое и о чем-то просило (продать, передать, проконсультировать и т. д.), то фраза «для работ по постановлению» была весьма полезной.
Есть много отчетов и воспоминаний о синтезе алмазов в лабораториях фирм Swedish General Electric Company (Швеция) и General Electric (США). В СССР все эти работы проводились под грифом «секретно», но с тех пор прошло много времени, и сейчас все это представляет только исторический интерес. К сожалению, никто из непосредственных участников работ не оставил воспоминаний. Однако, используя сохранившиеся архивные материалы, можно частично восстановить ход событий.
Вслед за постановлением Совмина, почти мгновенно, А.Н. Несмеянов, который был тогда директором Института органической химии АН СССР, сообщил президенту Академии наук С.И. Вавилову, что кандидат физико-математических наук Л.Ф. Верещагин будет руководить соответствующими исследованиями при давлениях до 30 тыс. атм и 2000 К. Заметим — не разрабатывать аппаратуру «для дяди», а руководить исследованиями. К тому времени были опубликованы статьи, из которых следовало, что для синтеза алмаза потребуются более высокие давления. Однако в то время никто в мире, включая патриарха высоких давлений Нобелевского лауреата Перси Бриджмена, не владел техникой получения необходимой комбинации давления и температуры (60 тыс. атм и 2000 К). Поэтому Несмеянов проявил осторожность. Итак, указания даны, заявки сделаны — наступила тишина.
Прошло восемь лет
Наступает 1955 год, и в июле в «Nature» выходит американская статья «Man-made diamond» — простенько так, «Рукотворный алмаз». Однако детальные сведения об условиях синтеза и аппаратуре высокого давления не были раскрыты. Статья мгновенно была переведена на русский язык и появилась в декабрьском выпуске журнала «Успехи физических наук». В том же году была опубликована статья о работе шведов — в малодоступном журнале фирмы ASEA. В статье говорилось, что алмаз был синтезирован в лаборатории фирмы в 1953 году.
Эта информация стала известна и в отделе науки ЦК КПСС, и в Совете министров, о постановлении вспомнили и поинтересовались, как идут дела. Куратором алмазной проблемы в АН СССР был серый кардинал Академии, в то время главный ученый секретарь АН СССР А.В. Топчиев, который много сделал в нефтехимии, а кроме того, был организатором так и не состоявшейся конференции по разгрому советской физики. По-видимому, его и вызвали на ковер, а он уже в свою очередь вызывал на ковер поскромнее подотчетных ему лиц из Института кристаллографии и из уже отдельной Лаборатории высоких давлений АН СССР.
Оказалось, что никакой аппаратуры, пригодной для синтеза алмаза, Институт кристаллографии от Лаборатории высоких давлений не получил и соответствующие работы в Лаборатории практически не проводились. Поэтому в Институте кристаллографии стали сами что-то мастерить и построили двухцилиндровый гидравлический пресс на 600 и 800 тонн, способный обеспечить механическую поддержку камеры высокого давления. А также камеру типа цилиндр-поршень, на которой удалось получить давление около 60 тыс. атм, достаточное для синтеза алмаза. Казалось, победа близка.
Попутно произошло следующее. В марте 1958 Кэтлин Лонсдейл с сотрудницей обнаружили никель в искусственных алмазах, произведенных в General Electric. Стало ясно, что никель при синтезе алмаза служит растворителем-катализатором. Заметим, что О.И. Лейпунский еще в 1939 году указывал на важность использования переходных металлов (железа) при преобразовании графита в алмаз. Об этом никто не помнил или не знал. Правда, Трейси Холл использовал троилит (сульфид железа, FeS) как катализатор в первых успешных опытах по синтезу алмаза, но он основывался на нахождении троилита вместе с алмазом в метеорите из Аризонского кратера.
В апреле 1958 года Холл, к тому времени уже покинувший лабораторию General Electric, опубликовал описание нескольких устройств для получения высоких давлений, включая модифицированные наковальни Бриджмена и так называемую тетраэдрическую установку, способную генерировать давление 100 тыс. атм и температуру 3000°С посредством индукционного нагрева. Последнее было важно, поскольку в шведских опытах высокая температура создавалась термитными смесями. Что, естественно, менее удобно.
В июле 1958 года Л.Ф. Верещагин, уже в ранге директора Института физики высоких давлений АН СССР, принял участие в Гордоновской конференции по высоким давлениям в США, где Трейси Холл выступил с докладом «Развитие высоких давлений и высоких температур». В результате этой поездки Верещагин заключил, что игра стоит свеч и следует принять активное участие в решении алмазной проблемы. Что происходило за кулисами и под ковром, мы не знаем, но в октябре появилось постановление Президиума АН СССР о неудовлетворительном состоянии работ по синтезу алмаза и передаче функций ведущей организации по проблеме алмаза и боразона Институту физики высоких давлений. Что касается боразона, то он появился на сцене не случайно. А потому, что годом раньше Роберт Венторф объявил о синтезе при высоких давлениях кубической сверхтвердой формы нитрида бора BN, которую назвали «боразон». Однако детали синтеза не раскрыл.
Неясно, почему академик А.В. Шубников, директор Института кристаллографии, так легко сдался. Конечно, он мог внезапно разувериться в возможности решить проблему с помощью своих сотрудников. Но больше это похоже на устранение конкурентов; эта задача была решена, по-видимому, не без помощи А.В. Топчиева. Руководство АН СССР даже не попыталось сохранить параллельную, конкурирующую с Л.Ф. Верещагиным группу, как это часто делали при решении важных задач.
Все секретно
Для решения проблемы Верещагин организовал несколько параллельно работающих групп, общение между которыми категорически запрещалось (естественно, все происходило под грифом «секретно»). Каждая из групп создавала свой аппарат высокого давления, так или иначе копируя различные американские образцы. Одновременно делались попытки синтезировать алмаз. И тут, как по заказу (а может быть, именно по заказу), появляются распоряжение Совета министров и постановление Президиума АН СССР, обязывающие Институт получить боразон в 1959 году и алмаз в 1960–1961 годах. Верещагин регулярно посылал Топчиеву письма о прогрессе в синтезе боразона, причем в этих письмах приводились данные о кристаллической решетке полученных кристаллов, не соответствующие данным боразона, и о примеси никеля, которой в нем не должно быть. Но при этом утверждалось, что это боразон.
Ситуация на самом деле была проста. Поскольку детали синтеза боразона в первой статье Венторфа не были раскрыты, кто-то решил, что если никель как катализатор работает в случае синтеза алмаза, то почему бы не использовать никель и для синтеза боразона? По-видимому, настоящий боразон получили в ИФВД не ранее марта 1961 года, после того, как Венторф опубликовал технологию синтеза, включающую использование щелочных и щелочноземельных металлов как катализаторов. Скорее всего, он был получен в 1964 году.
Примечательно, что Л.Ф. Верещагин располагал некоторым количеством настоящего американского боразона, хотя этот материал не был, мягко говоря, легкодоступным. Может быть, именно это обстоятельство придавало участникам предприятия уверенности в счастливом исходе. Вся эта история с боразоном сыграла роль дымовой завесы и позволила выиграть необходимое время.
В октябре 1959 в «Nature» появилась подписанная все той же командой статья с многообещающим названием «Приготовление алмаза» с детальным описанием условий синтеза алмаза. Это сыграло свою роль, и в марте 1960 года Верещагин доложил на Президиуме АН СССР результаты успешных экспериментов по синтезу боразона, хотя и загрязненного никелем, и алмаза. В постановлении Президиума так и написано: кристаллы, загрязненные никелем. Удивительное в этом постановлении то, что алмаз, который был главной целью, упоминается какой-то скороговоркой, на втором месте.
И все-таки в 1960 году алмаз был получен. Однако кто и когда это сделал первым, неизвестно до сих пор. Предположительно, первый успешный синтез алмаза был осуществлен 17 марта, и не с помощью каких-то монстрообразных аппаратов, а в скромном устройстве, представлявшем собой модификацию наковален Бриджмена. Это устройство, получившее название «чечевица» из-за формы его рабочего объема, и легло в основу промышленного производства алмазов в СССР. Однако описание этого устройства было опубликовано лишь спустя 38 лет, за авторством Л.Ф. Верещагина, В.Н. Слесарева и В.Е. Иванова, в Сборнике трудов ИФВД за 1998 год.
Последовали некоторые награды. В 1960 году Верещагин был избран членом-корреспондентом АН СССР, в 1961 году Ленинская премия была присуждена Л.Ф. Верещагину, В.А. Галактионову и Ю.Н. Рябинину, в 1963 году Верещагин стал Героем Социалистического Труда, а в 1966 — академиком.
Такова реальная, хотя и не полная история алмазного синтеза в СССР. Эту историю можно было бы не описывать, если бы она не отражала определенных механизмов функционирования советской науки, включавших связи ЦК КПСС с Советом министров, их обоих с Академией. Вне этих цепочек невозможно было реализовать хотя бы сколько-нибудь дорогой проект, даже если он сулил моральные и материальные дивиденды. Представляется, что команда Института кристаллографии хоть и была близка к победе, но не обладала необходимым административным ресурсом, для того чтобы успешно завершить проект по созданию искусственного алмаза.
Л.Намер
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал.
– Редакция «Химии и жизни»