Объясняет Александр Семенча, кандидат химических наук, доцент кафедры прикладной химии, директор Научно-образовательного центра «Нанотехнологии и покрытия» СПбПУ.
Алмаз – это минерал, который благодаря своей высокой твердости получил название «неукротимый» - от греч. Adamas. На него обратили внимание в Индии. Первые упоминания датируются еще четвертым десятилетием до нашей эры.
В Европе интерес к алмазам появился после того, как Луи де Бернел создал первый бриллиант в 1454 году. Это дало старт моде на бриллианты – ограненные алмазы.
В России первый алмаз был найден случайно крепостным мальчиком почти 200 лет назад. До этого считалось, что в стране нет алмазов, и русская знать приобретала их за рубежом.
Что делает алмаз ценным?
Помимо того, что алмаз обладает высокой твердостью и прочностью, он ещё и пропускает свет в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолета и вплоть до радиоволн. Благодаря тому, что имеет высокий показатель преломления, в два раза больше, чем стекло, он лучше расщепляет белый свет на отдельные длины волн, что создает эффект радуги. Именно поэтому бесцветный камень начинает переливаться всеми цветами под падающими солнечными лучами.
Как образуются природные алмазы?
Алмаз – это углерод, атомы которого расположены на равном расстоянии друг от друга, образуя кубическую структуру. Алмазы формируются на глубине 100-200 км при температуре 1100-1300 °C и давлении 35-50 килобар. Этот процесс занимает 1,5-3,5 миллиарда лет. Кимберлитовая магма выносит драгоценности на поверхность во время вулканических взрывов, образуя кимберлитовые трубки.
Технологии получения синтетических алмазов
В наше время алмазы создают и в лабораториях. Первая промышленная технология HPHT (High Pressure High Temperature) имитирует естественные условия: температура 1100-1400 °C и давление 5-7 ГПа. Графит растворяется в металле-катализаторе и кристаллизуется на алмазной затравке. Примеси, такие как бор и азот, окрашивают алмазы в синий или желтый цвет.
Для улучшения процесса используют двух- и трехкомпонентные сплавы, а также геттеры, например титан, для снижения количества примесей. В СПбПУ изучают высокоэнтропийные сплавы в качестве катализаторов.
Технология HPHT затратна, поэтому её применяют для производства алмазов с особыми свойствами и для создания затравки для CVD.
CVD – Chemical Vapor Deposition – метод, заключающийся в осаждении углерода из газовой фазы на алмазную затравку с использованием плазмы. Этот способ менее затратный, что делает алмазы дешевле.
Синтетические алмазы CVD широко используются в разных сферах:
- Квантовые технологии
- создали алмазный чип с рекордной когерентностью спинов (>10 мс при комнатной температуре). Это ускорит разработку квантовых сенсоров и защищённой связи (Nature, 2024).
- запущен проект алмазных кубитов для квантового интернета (финансирование — 2 млрд руб. до 2026 г.).
2. Электроника
- представлен CVD-алмазный полевой транзистор с частотой 100 ГГц — прорыв для 5G-устройств и спутников (IEEE, 2024).
- разрабатывают алмазные чипы для работы при +500°C (применение в авиации и космосе).
- разработаны алмазные подложки для охлаждения ИИ-чипов. Теплопроводность — 2200 Вт/(м•К) (в 5 раз лучше меди).
3. Медицина
- создан алмазный датчик, обнаруживающий опухолевые маркеры в крови за 10 минут (Science Advances, 2024).
По прогнозам аналитиков, емкость глобального рынка синтетических алмазов вырастет с 17,7 млрд долларов в 2024 году до 19,1 млрд долларов в 2025 году и достигнет 37,5 млрд долларов к 2034 году.