Твёрд, блестящ и почти вечен
Кандидат химических наук Илья Леенсон
Блестящие камешки находили на территории современной Индии ещё семь тысячелетий тому назад.
Мы любили и любим слово «самый». Самый быстрый, самый умный… Если же спросить, что самое твёрдое, скорее всего, получим ответ: алмаз. Этот ответ почти точен. А почему алмаз ещё самый блестящий? И заодно, действительно ли он самый-самый?.. Об этом и пойдёт речь.
Блестящие камешки находили на территории современной Индии ещё семь тысячелетий тому назад. Людей поражали их блеск, твёрдость, иногда — прозрачность (до изобретения стекла было далеко). Название минерала происходит от древнегреческого «адамас» — нерушимый. С древних времён бриллианты — огранённые алмазы — были символом богатства и власти, ими украшали скипетры и короны, статуи и одежды священников.
В древности алмазу приписывали невероятные свойства — не удержался от фантастических вымыслов и Плиний Старший, давший первое подробное описание алмаза. В работе «Естественная история ископаемых тел» он писал, что алмаз нейтрализует действие яда и освобождает от пустых страхов. Бытовало также поверье, что алмаз можно растворить в свежей козлиной крови. Считалось, если между молотом и наковальней положить кристаллик алмаза, то скорее инструменты разлетятся вдребезги, но «царь камней» останется нерушимым. Таким безграмотным тестом было уничтожено немало хороших камней, потому что твёрдость и ударопрочность — свойства разные.
Среди всех найденных алмазов, а общий их вес к настоящему времени исчисляется десятками тонн, правильные прозрачные и бесцветные многогранники редки. Чаще всего крупный алмаз неправильной формы мало чем отличается от булыжника. Именно так выглядел самый большой из найденных когда-либо алмазов — «Куллинан». Его обнаружили 26 января 1905 года в Южной Африке в руднике «Премьер» и назвали по имени президента компании сэра Томаса Куллинана. Камень размером с кулак весил более 600 граммов, причём, судя по форме, он был когда-то частью более крупного образования. Когда его доставили королю Великобритании Эдуарду VII, тот признался: «Попадись этот камень мне, я бы презрительно отшвырнул его ногой». Вне рудника «Куллинан» прожил лишь три года — чудо природы раскололи и распилили, чтобы изготовить 9 больших бриллиантов и 95 поменьше.
Необработанный алмаз, даже правильной формы, действительно выглядит невзрачно: просто очень блестящая стекляшка. Только огранка превращает его в «царя камней». Но процесс этот весьма труден из-за твёрдости камня. Механически «взять» его способен только другой алмаз, причём обработка может длиться неделями и месяцами. Вероятно, впервые начали обрабатывать природные алмазы в Древней Индии. Но делали это весьма примитивно: вплоть до XV века всё сводилось к лёгкой шлифовке и полировке природных граней, чтобы они лучше блестели. В Европе — при французском и английском дворах — октаэдрические кристаллы называли алмазными наконечниками, и они действительно иногда напоминали наконечник копья. Представьте себе две маленькие четырёхгранные пирамидки, сложенные основаниями, — это и будет октаэдр.
От алмаза к бриллианту
Постепенно мастера научились придавать алмазам различную форму, иногда совершенно фантастическую. Но поначалу они не подозревали, какие чудеса скрываются в камешках — красота алмаза выявляется лишь при правильной огранке. Медленно, веками, мастера ощупью шли к тому, чтобы научиться проявлять уникальные свойства алмазов. Опыт накапливался при обработке не столь твёрдых минералов — рубинов, изумрудов, топазов. В XIII—XIV веках в Европе появились шлифовальные мельницы — большие каменные шлифовальные диски вращались при помощи водяного привода. Важным шагом вперёд стало применение для шлифовки тончайшего алмазного порошка. Его вдавливали в металлический диск — получался шлифовальный круг, и это позволило существенно увеличить производительность труда.
Считается, что первый бриллиант был изготовлен в Париже в начале XVII века. И несколько десятилетий город оставался главным мировым центром по обработке алмазов. Но постепенно он уступил пальму первенства Антверпену и Амстердаму. В середине XIX века в Амстердаме в пяти мастерских уже работало 540 шлифовальных машин с паровыми двигателями. В ХХ веке тысячи рабочих гранили алмазы также на предприятиях Германии, а после войны — в Израиле, Индии и (в меньших масштабах) в США и ЮАР. Однако по сей день у ювелиров сохранились французские термины: «павильон» (фр. «шатёр») — нижняя часть камня, «колета» (фр. «воротник») — остриё или небольшая площадка внизу; «фасет» или «фацет» (фр. «грань») — скошенная часть острого ребра или кромки; да и само слово «бриллиант» происходит от французского «блестящий».
Способов огранки алмазов разработано множество. В начале XV века началось изготовление так называемых толстых алмазных таблиц— у октаэдра спиливали одну из вершин до образования широкой грани квадратной формы и немного притупляли противоположную нижнюю вершину — колету. Позже начали делать «тонкие камни» — у октаэдра сильно спиливали две противоположные вершины.
Но настоящий бриллиант из алмаза получился, только когда мастера применили фасетную огранку. Она заключалась в нанесении на кристалл симметричных мелких граней — фасеток. Вначале на верхнюю и нижнюю части «толстого камня» наносили по восемь граней (у ювелиров такая огранка называется простой или ординарной). Дальнейшее усложнение огранки привело к нанесению дополнительных 36 граней — по 18 сверху и снизу. Это так называемая двойная огранка, или «огранка Мазарини» (по имени кардинала Жюля Мазарини, который сам алмазы не гранил, но собрал богатую коллекцию, завещал её французской короне). Дальше — больше: в конце XVII века появилась тройная «огранка Перуцци» (по имени венецианца Винченцо Перуцци) — с 58 фасетами.
Со временем получили распространение другие типы огранки: множество мелких треугольных фасетов у старинной индийской розы, у полной голландской розы — 24 треугольных фасета; у полуголландской — 16 фасетов, у двойной голландской — 36, а у более простой антверпенской — 12. Более сложная огранка у крестовой розы: 16 из 24 граней у неё четырёхугольные, остальные — треугольные.
Общее у всех перечисленных «роз» — плоское основание, над которым возвышается блестящий «шатёр».
В XIX веке самой распространённой была так называемая старая бриллиантовая огранка, которая просуществовала до 1910 года. Она вплотную приблизилась к той, которую можно считать современной, — её называют также «полным круглым бриллиантом». В ней немного изменены углы между фасетами, а тонкий поясок (рундист), разделяющий верхнюю и нижнюю части камня, сделан идеально круглым; уменьшена высота верхней части камня — коронки, на которой имеется не менее 32 фасетов, тогда как на нижней части — павильоне — их должно быть не менее 24.
Сейчас в основном используют огранки трёх очень близких видов. «Американский бриллиант» теоретически рассчитал Марсель Толковский в 1919 году, и такая огранка принята в США и Великобритании. «Практический бриллиант» Вернера Эпплера разработан в 1939 году, огранка принята в ФРГ, России и в странах СНГ. Название связано с тем, что для определения оптимальных углов наклона фасетов вместо теоретических расчётов были произведены массовые обмеры наиболее красивых бриллиантов, изготовленных в разное время разными мастерами и обладавших максимальной световой игрой.
Наконец, «стандартный скандинавский бриллиант», принятый в странах Северной Европы, разработан в 1968 году. Его пропорции и углы, как и у бриллианта Эпплера, не рассчитаны, а найдены эмпирически, путём обмера наиболее эффектных бриллиантов.
Насколько отличаются эти три типа огранки? Углы наклона фасеток коронки и павильона относительно верхней площадки (таблицы) и нижней колеты составляют 34о25' и 40о46'для бриллианта Толковского; 33о12' и 40о48' для бриллианта Эпплера; 34о30' и 40о45' для скандинавского бриллианта. Чтобы наглядно представить себе такую точность установки шлифовального диска, надо учитывать, что для окружности диаметром 10 см перемещение края диска на 1 минуту (1') составляет 0,015 мм, 15 микрон, треть толщины волоса.
Огранка зависит от оптических свойств алмаза, конкретно — от коэффициента преломления. А он зависит от примесей, которые в алмазе всегда есть; от них же зависят, кстати, и другие свойства, например цвет и электропроводность. Набор образцов бриллиантов, который использовался для определения оптимальной огранки (непосредственно или через вычисление среднего коэффициента преломления), был разным у разных авторов. И поэтому полученные результаты чуть-чуть, но различались.
Кроме основных типов огранки существует множество других, которые применяют к наиболее крупным камням. Так, огранка «Хайлайт» имеет 73 фасетки, «звезда Кэра» — 74, «юбилейная» — 88, «магна» — 102, а разработанная в 1965 году огранка «принцесс-144» — аж 146. Но если вы покупаете колечко с небольшим бриллиантиком, то на нём, скорее всего, будет огранка «восьмёркой» — по восемь фасеток в коронке и павильоне, а всего, включая таблицу и колету, 18 граней.
К чему же стремились ювелиры и математики, точно, до сотых долей градуса, рассчитывая углы наклона граней, выверяя высоту коронки и павильона, определяя толщину рундиста? Все преследовали одну задачу — максимально выявить «внутренние ресурсы» камня. А это значит — сделать как можно более яркой (при минимальной потере веса природного кристалла) игру световых бликов. Причём последний фактор часто «перевешивает» неизбежную потерю массы, которая при огранке может составлять больше двух третей исходного камня (!). Более того, владельцы старых камней нередко отдают их ювелирам для переогранки, несмотря на потерю 30—35% массы.
«Чтобы дороже во сто раз...»
Классическая технология обработки алмаза такова. Сначала все алмазы просматриваются для определения способа обработки и вида огранки. Потом данный алмаз раскалывают (если надо), распиливают, далее следуют обточка, огранка, шлифовка и полировка. Если у алмаза есть какой-либо дефект (трещина, тёмное пятно), то или ведут распиловку по дефектному месту, или стараются выделить участок с дефектом в меньший кристалл, чтобы из оставшейся части получить высококачественный бриллиант. Распиловку осуществляют тонкими дисками из бронзы (сплава меди и олова), в поверхность которой вдавлена алмазная пудра. Толщина дисков — 50—90 мкм, частота вращения — 3—15 тыс. об/мин. Алмазы разрезают в направлении наименьшей твёрдости кристалла (в направлении наибольшей твёрдости алмаз почти не поддаётся обработке). Потом начинается обточка. Потери при этой операции составляют 15—25%; но отходы используют для изготовления алмазных порошков. Затем начинается огранка камней, далее — полировка (она ведётся чугунными дисками, в поверхность которых тоже вдавлен алмазный порошок). Частота вращения ограночного диска — 2500—2800 об/мин, с каждой стадией порошок делается мельче, при окончательном полировании размеры частиц уменьшаются до 3—10 мкм.
Огранка и полировка — наиболее трудоёмкие операции. Так, например, на предприятиях бельгийской фирмы «Форстенберг» из 120 рабочих один занимается раскалыванием алмазов, шесть — обточкой, остальные — огранкой, шлифовкой и полировкой. Естественно, что технологические процессы совершенствуются, для огранки созданы полуавтоматические станки. Кроме того, разрабатываются другие методы обработки алмаза, причём нескольких типов. Во-первых, связанные с химическими реакциями, так как алмаз реагирует с некоторыми веществами при повышенных температурах — даже с приличной скоростью. Во-вторых, углерод диффундирует в металлы, в некоторые особенно охотно (например, в железо и при повышенной температуре). Поэтому, если прижать к алмазу железо и нагреть, углерод с поверхности алмаза будет уходить в металл. В-третьих, алмаз можно обрабатывать в вакууме — потоком ускоренных ионов, которые распыляют поверхность. Наконец, алмаз можно обрабатывать лазерным лучом — который, в зависимости от среды, нагревает его до окисления или испаряет.
Однако ради чего все эти ухищрения?
«Разноцветные зарницы»
Конечно, сначала алмаз привлёк внимание как украшение. Правильно огранённый алмаз, то есть бриллиант, разделяет падающий на него свет на множество отдельных лучей. Чем выше коэффициент преломления света, тем более сложной может быть (для достижения максимального эффекта) огранка. Для алмаза он равен примерно 2,4; веществ с бóльшим преломлением совсем мало, и не все они достаточно прозрачны. То есть конкурентов по этому параметру у алмаза практически нет.
Тем более, что важно ещё одно оптическое свойство — дисперсия, когда в одном и том же веществе свет разного цвета имеет разный показатель преломления. Радуга и цветные «зайчики» на стене при попадании солнечного света на кромки зеркал и прочих стёкол — результат дисперсии. Количественно её определяют разностью между показателем преломления для фиолетовых и красных лучей. И чем эта разность больше, тем шире будет радужная полоска, тем сильнее кристалл при малейшем повороте будет переливаться. У алмаза эта величина составляет 0,044; веществ с большей дисперсией, опять же, совсем мало. Более того, у веществ с бóльшим преломлением обычно низкая дисперсия, а у веществ с высокой дисперсией низкое преломление. Поэтому алмаз, не являясь абсолютным рекордсменом ни по одному из этих параметров, побеждает в «многоборье». Более или менее приближаются по свойствам к алмазу муассанит SiC и фианит — ZrO2 c добавкой оксидов Hf, Mn, Ca, Y, и их действительно используют как дешёвые имитации алмаза.
Украшения обычно рассматривают в отражённом свете, поэтому грани бриллианта должны располагаться так, чтобы полностью отразить как можно больше падающего на камень света. У правильно огранённого бриллианта луч света, попадая на верхнюю площадку и фасеты коронки, проходит внутрь кристалла, полностью отражается от фасетов павильона, проделывает обратный путь и выходит через коронку — желательно через её наклонные грани. Если на такой бриллиант посмотреть на просвет, обратив таблицу (верхнюю площадку) к источнику света, то он будет совершенно тёмным, так как весь падающий на него свет выйдет в обратном направлении. Проходя свой путь внутри бриллианта, преломляясь на его внешних и внутренних гранях и отражаясь от них, свет разлагается на цветовую гамму, что и даёт ту красивую радужную игру, которая характерна для алмаза. К ней добавляется простое отражение от верхних граней — даёт так называемый алмазный блеск. А нижние грани при полном внутреннем отражении лучей кажутся как бы посеребрёнными и отливают металлическим блеском. Всё это и создаёт ту неповторимую «игру» света, тот «огонь», который и делает алмаз бриллиантом.
Как писал знаток камней, президент британской геммологической ассоциации Герберт Смит, при малейшем движении огранённого алмаза «беспрестанно меняющиеся оттенки привлекают взгляд: сначала — бриллиантовое сверкание чистейшего белого цвета и тотчас же лазурно-голубой блеск, переходящий из воскового в изысканно-оранжевый и затухающий в малиновом мерцании...».
«Хранитель вечной чистоты...»
Для науки и техники лазурно-голубой и изысканно-оранжевый цвета — не самое главное. В технике алмаз использовался давно и широко — уж если можно алмазным порошком шлифовать и полировать сам алмаз, то тем более можно всё остальное. И действительно, алмазные порошки использовались для обработки всего на свете, а кристаллики алмаза — для резки, например, стекла. Использовались столь широко, что название «алмаз» закрепилось за инструментом для резки стекла и применялось даже тогда, когда режущим элементом стал не алмаз, а другой (но тоже весьма твёрдый) материал. Особо широко алмаз поначалу применяться не мог — всё-таки он был дорог, как и отходы от огранки бриллиантов. Но со временем люди освоили синтез алмазов при высоких давлениях и температурах, а ещё позже научились напылять алмазные плёнки на поверхность инструмента, увеличивая тем самым его износостойкость.
Ещё одно качество алмаза, к которому сейчас подбирается человек, — высокая теплопроводность (она в несколько раз больше, чем у меди). Для полупроводниковой техники это очень важно, поскольку работа полупроводниковых схем сопровождается выделением тепла. Если его не отводить, то температура начнёт расти и прибор выйдет из строя. Чтобы отводить тепло, его надо «протащить» через объём прибора и подложку, которая отделяет сам прибор от потока теплоносителя (воздуха или воды). Причём эта подложка должна быть электроизолятором, — а это печально, потому что изоляторы, как правило, плохо проводят тепло. Так вот, алмаз одновременно выполняет роль изолятора и при этом прекрасно проводит тепло. Возникает вопрос: а нельзя ли и сами приборы делать из алмаза? Очень даже можно. Но для этого нужно научиться выращивать алмазы, которые были бы не изоляторами, а полупроводниками, причём обоих типов — p-типа и n-типа. В принципе эта задача решаема, то есть известно, что её решить можно. Более того, вроде бы уже существует образец p-n-перехода. Возможно, что мы наблюдаем зарождение нового направления в полупроводниковой технике. И не только в ней — в мощной вакуумной электронике алмаз тоже найдёт своё применение. А мощные вакуумные приборы — это и радиолокация, и дальняя связь, и токамак…
В науке используется высокая прочность на сжатие: из алмаза делать «наковальни» — те самые элементы установки, через которые на объект передаётся сверхвысокое — в миллионы атмосфер — давление. До того все исследования в области высоких давлений «упирались» в эти «наковальни», — а это путь и к гипотетическому металлическому водороду, и ещё много к чему!
Вправду ли вечны?
Геологов всегда интересовал вопрос, насколько стар алмаз. Радиоуглеродный метод, разработанный Уиллардом Либби в середине прошлого века, ничего не мог дать: у изотопа углерода С-14 период полураспада 5730 лет, то есть за миллион лет от него не останется ни одного атома. И вот сравнительно недавно американским геохимикам повезло: в их распоряжении оказались южноафриканские алмазы, в которых были включения граната — красивые мелкие кристаллики. Вообще, гранат — собирательное название группы силикатов сложного состава, в которую входят полтора десятка индивидуальных минералов (среди известных — гроссуляр, пироп, уваровит). Кроме кремния и кислорода они содержат ионы Ca, Fe, Mg, Mn, Al, Cr, Ti, V, Zr. Всё это мало помогло бы определению возраста минерала, но, к счастью, в нём оказались небольшие примеси самария. Этот редкоземельный элемент представлен в природе семью стабильными изотопами, из которых два на самом деле чуть-чуть радиоактивны, но имеют гигантские периоды полураспада: 106 миллиардов лет у самария-147 (его в земной коре около 15%) и 7 квадриллионов лет у самария-148 (его — 11%). Второй изотоп малополезен из-за слишком большого времени жизни, а вот первый оказался тем, что надо. Медленно распадаясь, он превращается в неодим-143. По количеству этого неодима, зная скорость его образования, можно определить возраст образца, то есть время, когда в него попал самарий и начал (вернее, продолжил) потихоньку распадаться. Например, очевидно, что за 106 миллиардов лет число атомов неодима-143 и самария-147 сравняются. Оказалось, что неодима накопилось в гранате не так много. Это означает, что самарий попал в гранат 3,2—3,4 миллиарда лет назад; некоторая неопределённость связана с неточностью определения ничтожных следов самария-147 и ещё более ничтожных количеств неодима-143. И если Земле сейчас стукнуло где-то 4,6 млрд лет, то алмаз — во всяком случае, этот образец — ненамного её моложе.
А можно ли считать это вечностью — решать нам. Но вот то, что в ближайшие десятилетия наука и техника будут все шире использовать алмаз, — это точно.
Кстати, насчёт «самый твёрдый». По этому поводу уже появились сомнения: некоторые группы исследователей утверждают, что на основе фуллеренов (опять углерод!) можно сделать материал твёрже алмаза. Другие пишут, что это невозможно. Не исключено, что верно не то и не это — просто нужно уточнять понятие «твёрдость». Впрочем, в науке постоянно приходится время от времени уточнять определения.
Статьи по теме
Читайте в любое время
