Алмаз
Алма́з (від араб. ألماس, almās — нездоланний, англ. diamond; нім. Diamant) — мінерал класу самородних неметалів, тверда кристалічна алотропна видозміна карбону кубічної сингонії.[5]
Загальні відомості
Алмаз належить до дорогоцінних каменів і є найтвердішим з відомих мінералів (твердість 10 за шкалою Мооса за означенням). Алмази можуть бути як природними, так і синтетичними. Промислові алмази завдяки своїй надзвичайній твердості використовуються в різальному інструменті для шліфування, свердління й токарної обробки твердих металів та їхніх сплавів, буріння твердих гірських порід тощо.
Найбільші родовища алмазу розташовані в Африці (ПАР, Демократична Республіка Конго, Танзанія), Азії (Російська Федерація, Індія) та Австралії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. Ограновані ювелірні алмази в Україні називають діамантами.
Починаючи з середини 1950-х років алмаз почали одержувати штучно з графіту. І алмаз, і графіт — це різні форми одного і того ж елемента — вуглецю[6]. Синтетичні алмази також відомі під назвами HPHT-алмази та CVD-алмази, що отримали назву від двох популярних методів їх виробництва. HPHT розшифровується як високий тиск і температура (англ. high-pressure high-temperature), а CVD — хімічне осадження з пари (англ. chemical vapor deposition). Ці два методи домінують у виробництві синтетичних алмазів. Третій метод, відомий як синтез з підривом, став використовуватися в кінці 1990-х. Синтетичні та природні алмази є однаковими за фізичними властивостями й кристалографією. Станом на 2011 рік близько 97 % алмазів (за масою), що використовуються у промисловості — синтетичні.[7]
Походження
Міжнародна група дослідників з'ясувала, що найцінніші алмази утворилися в особливих умовах: серед «ванн» з розплавлених металів. Тому вони перемішувалися з ними, що в звичайних умовах формування алмазів практично ніколи не трапляється[8][9].
Історичні відомості
Старовинна українська назва алмазу адама́нт (від грец. ἀδάμας — незламний, непорушний)[10]. У науковій літературі українською мовою під назвою «адамант» алмаз уперше описаний в лекції «Про камені та геми» Феофаном Прокоповичем, яка була прочитана в Києво-Могилянській академії в 1705–1709 роках.
На думку стародавніх індусів алмази утворюються з п'яти першоелементів: землі, води, неба, повітря і енергії. При цьому алмази поділялися на чотири класи (варни): брахмани (безколірні і білі, шестивершинні); кшатрії (камені з червоним відтінком); вайшьї (зеленуваті); шудри (сірі і чорні).
Легенди та повір'я пов'язані з алмазами описав Пліній Старший у «Природній історії викопних тіл».
У Середньовіччі були створені спеціальні книги про походження, магічні і цілющі властивості різних каменів — лапідарії. Алмаз вважався каменем мужності, твердості, дарував перемогу над ворогами, гостроту розуму, охороняв від журби та чаклунства, злих духів.
На ранньому періоді історії розробки алмазних родовищ в Південній Африці вважалось вигідним розводити домашню птицю. Птахи порпались у відвалах гірських виробіток і, побачивши блискучі зерна, проковтували їх. Зоб кожної зарізаної птахи уважно оглядали, сподіваючись побачити дорогоцінний кристал. Так у зобі одного голуба, вбитого на території алмазного родовища, було виявлено 23 алмази масою 5,5 карата. В Російських газетах ІІ половини XIX ст. повідомлялось про уральську курку, яка «знесла» діамант.
Підробки діамантів, які зовнішньо важко було відрізнити від справжніх каменів, виготовлялися із свинцевого скла з кін. XVIII ст. Вони відомі під назвами «стрази» і «тетовські діаманти»
Структура алмазу
Елементарна комірка просторової кристалічної ґратки алмазу є гранецентрований куб з 4 додатковими атомами, розташованими всередині куба, на 1/4 великих діагоналей. Розмір ребра елементарної комірки а0=0,357 нм (при t=25О °C і Р=1 атм). Найкоротша відстань між двома сусідніми атомами с = 0,154 нм. Атоми вуглецю в структурі алмазу утворюють міцні ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, скеровані під кутом 109o28' відносно один одного. Алмаз — один із найтвердіших матеріалів, відомих людству.(Фулерити, або фулерони наприклад)
Морфологія алмазу
Кристали мають форму октаедра, ромбододекаедра, куба і тетраедра з гладкими і пластинчато-східчастими гранями або округлими поверхнями, на яких розвинені різноманітні акцесорії. Характерні пласкі, довгасті та складні кристали простої і комбінованої форм, двійники зростання і проростання, паралельні і довільно орієнтовані зростки, піраміди росту.
Хімічний склад
У алмазі присутні домішки Si, Al, Mg, Са, Na, Ва, Mn, Fe, Cr, Ti, В та ін. елементів[11]. Азот є головною домішкою, що найбільше впливає на фізичні властивості алмазу. Кристали алмазу, непрозорі до УФ випромінення, називаються алмазами І типу; всі інші належать до типу II. Вміст азоту в переважній більшості кристалів алмазу, що належать до типу І, становить близько 0,25 %. Рідше зустрічаються безазотні алмази, що належать до типу II, в яких домішки азоту не перевищують 0,001 %. Азот ізоморфно входить в структуру алмазу і утворює самостійно або в сукупності із структурними дефектами (вакансіями, дислокаціями) центри, відповідальні за забарвлення, люмінесценцію, поглинання в УФ, видимій, інфрачервоній і мікрохвильовій областях, характер розсіювання рентгенівських променів та ін.
Фізичні властивості
Форма зерен
Більша частина алмазів зустрічається в природі у вигляді окремих добре сформованих кристалів або їх уламків. Переважають октаедри, ромбододекаедри та куби, а також їх комбінації. Це кристали з рівними плоскими гранями. Іноді зустрічаються кривогранні, округлі кристали, в деяких родовищах вони навіть переважають. Часто кристали алмазу зростаються, або ніби проростають один в одного, утворюючи відповідно так звані двійники зростання і проростання.
Крупність зерен
Зазвичай розміри алмазних зерен — від часток міліметра до 0,5–1 см в поперечнику, але зустрічаються і дуже крупні кристали.
Густина алмазу становить 3,5-3,53 г/см3. Алмази можуть бути безбарвними або з ледве помітним відтінком, а також яскраво забарвленими в жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, блакитний, синій, молочно-білий і сірий (до чорного) кольори. При опроміненні зарядженими частинками алмаз набуває зеленого або блакитного кольору. Зворотний процес — перетворення забарвленого алмазу в безбарвний — досі не вдалося провести. Поверхня алмазів з найдавніших родовищ (вік яких перевищує 1 млрд років) має зелене забарвлення, яке зникає при механічній обробці кристалу.
Більшість природних алмазів безбарвні, але бувають камені найрізноманітніших кольорів та відтінків. Найчастіше зустрічаються алмази зі слабким жовтуватим відтінком, а також зеленкуваті. В родовищах Південної Африки трапляються бурі алмази; за рахунок значних домішок аморфного вуглецю вони можуть набувати цілковито чорного кольору. Рожеві, рубіново-червоні та сині алмази дуже рідкісні. Щодо алмазів сапфірово-синього кольору, то це — явище виняткове, і цінуються вони дуже високо.
Блиск. Заломлення світла. Люмінесценція
Для алмазу характерні сильний блиск, високий показник заломлення (n=2,417) і сильно виражений ефект дисперсії (0,063), що зумовлює різнокольорову гру світла в діамантах. Як правило, в кристалах алмаз виявляє аномальне двопроменезаломлення через напруження, яке виникає у зв'язку зі структурними дефектами і включеннями. Кристали алмазу прозорі; напівпрозорі або непрозорі в залежності від насиченості мікроскопічними включеннями графіту, інших мінералів і газово-рідких вакуолей. При освітленні УФ променями значна частина прозорих і напівпрозорих кристалів алмазу люмінесціює синім, блакитним і рідше жовтим, жовто-зеленим, оранжевим, рожевим і червоним кольорами. Кристали алмазу (за рідкісним винятком) люмінесціюють під дією рентгенівських променів. В алмазах проявляється також електро-, трибо- і термолюмінесценція.
Відносна твердість алмазу за шкалою Мооса складє 10. Алмаз дуже крихкий, має довершену спайність по грані (111). Модуль Юнга 0,9 ТПа.
Чиста поверхня алмазу має високу гідрофобність (крайовий кут — 105—104o), але в природних умовах алмаз покривається тонкими плівками, що підвищують його гідрофільність. Алмаз з чистою поверхнею гідрофобний, тобто не змочується водою.
Температура плавлення алмазу становить 3700…4000 °C за тиску 11 ГПа[12]. На повітрі алмаз згорає при 850—1000 °C, а у струмені чистого кисню горить блідо-блакитним полум'ям при 720—800 °C, з утворенням вуглекислого газу. При нагріванні до 2000 °C без доступу повітря алмаз спонтанно за 15…30 хвилин переходить у графіт й вибухоподібно руйнується на дрібні частинки.[13]. За температур понад 2000 K зміна термодинамічних характеристик алмазу (теплоємність, ентальпія) зі зростанням температури набуває аномального характеру[14].
Використання
Використовують алмази для виготовлення абразивних та різальних інструментів, при бурінні, в ювелірній справі (див. діамант). Вагу алмазів вимірюють каратами.
Алмази в Україні
За останніми дослідженнями в Україні виявлені дві перспективні ділянки щодо знаходження алмазоносних кімберлітів, які розташовані у Східному Приазов'ї (Донеччина, Тельманівський район та ін.) і на Волині (Рівненщина, с. Кухітська Воля).
На Вінниччині виявлені алмази в Тиврівському районі, в алювії Дністра, в пісках на території Оратівського та деяких інших районів. Це зерна розміром від 0,1 до 1-2 мм, принесені древніми потоками з корінних джерел, місце розташування яких досі невідомо. Значна кількість знахідок алмазів і їх мінералів-супутників свідчать про цілком реальну можливість виявлення корінних родовищ. На сьогодні достовірно відома тільки природа алмазів, що зустрічаються поблизу Липовця. Вони утворилися саме тут десятки або сотні мільйонів років тому в результаті падіння величезного метеорита.
Різновиди алмазів та найвідоміші діаманти
Відомі такі діаманти:
- алансонський (кварц димчастий);
- «Альєнде» (125 каратів, знайдено в Якутії 1973 року);
- арканзаський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родовищ штату Арканзас, США);
- богемський (1. Дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з Чеського масиву. 2. Торговельна назва кришталю гірського з Чехії);
- бріансонський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць м. Бріансона, Франція);
- бристольський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з англійських родовищ);
- «Валентина Терешкова» (прозорий з незначним жовтим відтінком, 51,66 карата, знайдено 1963 року в Якутії, названо на честь першої жінки космонавта Валентини Терешкової);
- «Варгас» (726,6 карата, з Бразилії);
- «Великий герцог Тоскани» (те саме, що алмаз «Флорентієць»);
- «Великий Могол» (первісна назва алмазу «Орлов»);
- «Гірник» (44,62 карата, знайдений у 1966 у Якутії);
- «Гоппе» (густо-синього кольору з Індії вагою 44 карати);
- «Де-Бірс» (з жовтуватим відтінком, 428,5 карата, знайдено 1888 року на копальні «Де-Бірс», Південна Африка);
- «Джонкер» (726 каратів, знайдено 1934 року на копальні «Прем'єр» у Південній Африці);
- «Дютойтспан» (великий алмаз вагою 253,7 карата з Південної Африки).
- «Ексцельсіор» (995,3 карата, знайдено 1893 року на копальні «Ягерсфонтейн» у Південній Африці);
- жовтуватий (те саме, що алмаз капський);
- «Зірка Африки» (те саме, що алмаз «Кулінан»);
- «Зірка Півдня» (те саме, що алмаз «Південна зірка»);
- «Імператор» (457 каратів, з Південної Африки);
- «Каєнський» (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родовища Кайєнн, Швейцарія);
- капський (з Капської області, Південна Африка);
- кілікранський (безбарвний топаз із Тасманії);
- «Коїнур» (те саме, що алмаз «Кохінур»);
- Конго (алмазний порох)
- корнуольський (алмази з околиць Корнула, Індія);
- «Кохінур» (з Індії, відомий з 1304 року, 793,5 карата; після першої огранки мав 186,1 карата, після другої — 106,1 карата);
- «Кулінан» (найбільший з відомих алмазів з первинною вагою 3106 каратів, знайдено 1905 року на копальні «Прем'єр» у Південній Африці);
- лейк-джорджський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць міста Лейк-Джордж, штат Нью-Йорк, США);
- ліппський (з околиць м. Ліпова — колишнє м. Ліппа, Румунія);
- «Літній» (46,36 карата, знайдено 1966 року в Якутії);
- «Марія» (1966 р.,з родовищ Якутії-Сахи, 105,98 карата)[15].;
- мармароський (те саме, що діамант мармароський — гірський кришталь, що трапляється у Східних Карпатах);
- матарський (торговельна назва циркону з родовища Матара, о. Шрі Ланка);
- медокський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. округа Медок, Канада);
- «Надія» (найвідоміший кольоровий діамант, 45,52 ct вагою синій діамант. З Індії, де був найдений, його привіз Ян Баптист Таверньєр 1642 році)
- невадський (штучно знебарвлений обсидіан з родовища штату Невада, США);
- Орлов (діамант) (прозорий з ледве помітним зеленувато-синюватим відтінком; в ограненому вигляді 194,8 карата; знайдений у Голконді, Індія на початку 17 ст.; первісно — 400 каратів);
- «Південна зірка» (в ограненому вигляді 125,5 карата, знайдено 1853 року в Бразилії, до огранки — 254,5 карата);
- «Пітт» (те саме, що алмаз «Регент»);
- «Регент» (в ограненому вигляді 136,9 карата, знайдений в 1701 р. в Індії);
- рейнський (торговельна назва гірського кришталю з Німеччини);
- сибірський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. Уралу і Сибіру);
- сірчистий (зайва назва піриту);
- «Сталінградський» (з Якутії, 166 каратів);
- східний (застаріла та торговельна назва безбарвного корунду);
- «Тайлор-Бартон» «Taylor-Burton»
- «Тіфані» (оранжево-жовтого кольору вагою в ограненому вигляді 128,5 карата; знайдений у 1878 році на родов. Кімберлі, Півд. Африка);
- уральський (народна рос. назва гірського кришталю або топазу);
- «Флорентієць» (вагою в ограненому вигляді 133,2 кар.; знайдений в 1878 р. у родов. Кімберлі, Півд. Африка);
- херкімерський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з округу Херкімер, шт. Нью-Йорк, США),
- чорний (відміна алмазу з блискучими крапками, яка важче піддається шліфуванню, ніж звичайний алмаз),
- шаумберзький (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць Шаумберґа, Німеччина);
- «Шах» (після огранки мав 88,7 карата; знайдений в Індії в кінці 16 ст.; первісна вага 95 кар.);
- «Ювілейний» (650,8 карата, знайдений в 1895 році на родовищі Яхерсфонтейн, Півд. Африка; вага після огранки 245,3 кар.);
- «De Beers Millennium Star» (Зірка тисячоліття) (після лазерної обробки — 203 каратний діамант грушевидної форми);
- «Сторічний» (виявлений в липні 1988 року — на 100-річний ювілей відомої алмазодобувної і обробної фірми De Beers. У первинному вигляді важив 599,10 карат);
- Карове АК6 (найбільший з відомих алмазів після «Кулінана» з первинною вагою 1111 каратів, знайдено на копальні «Карове» у Ботсвані 16 листопада 2015 року).
Штучні алмази
Синтетичні алмази одержують шляхом кристалізації розчину вуглецю в розплавах металів та сплавів після екстремального стискування реакційної суміші в герметичній неметалевій чарунці та нагрівання до високих температур. Розплав із вуглецем утворюється при нагріванні до 1450…2000 за рахунок пропускання електроструму. Синтез алмазу шляхом перебудови графітової шарової структури карбону в щільну алмазну відбувається за величезного тиску й температури.
Перший синтез алмазу здійснено в лабораторії фірми ACEA у Швеції (1952), а потім в лабораторії компанії «General Electric» у США (1953). На основі досліджень, проведених в Інституті фізики високих тисків АН СРСР під керівництвом Л. Ф. Верещагіна у 1960 році українські вчені у 1961 році в Інституті надтвердих матеріалів АН України (Київ) під керівництвом В. М. Бакуля розробили ефективну промислову технологію синтезу штучних алмазів. У ЦКТБ твердосплавного й алмазного інструменту було здійснено випуск перших 2000 каратів штучних алмазів; з 1963 року налагоджено їхнє серійне виробництво[16].
Згодом над цією проблемою почали працювати також групи вчених з Інституту проблем матеріалознавства ім. І. Францевича НАН України, Інституту фізики НАН України, Інституту фізики напівпровідників НАН України, Донецького фізико-технічного інституту ім. О. Галкіна НАН України, Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України.
Прямий фазовий перехід графіт → алмаз зафіксовано на початку 1960-х років за умов ударно-хвильового навантаження за характерним зламом ударної адіабати графіту[17]. У 1961 році з'явились перші публікації дослідників компанії «DuPont» про отримання алмазу (розмір до 100 мкм) методом ударно-хвильового навантаження з використанням енергії вибуху (цей метод було реалізовано у 1975 році в Інституті надтвердих матеріалів АН України[18][19][20]). Відомою є також технологія отримання алмазів методом детонаційоного навантаження в умовах вибуху деяких вибухових речовин, наприклад, троти́лу, з негативним кисневим балансом[21], при якому алмази утворюються безпосередньо з продуктів вибуху. Є найдешевшим способом отримання алмазів, однак, «детонаційні алмази» є надзвичайно дрібними (до 1 мкм) й придатні лише як абразиви та напилення[22].
Українським ученим по праву належить пріоритет у встановленні особливих умов синтезу дрібних порошкових алмазів, одержанні щільних полікристалів та вирощуванні великих прозорих досконалих монокристалів розміром 5…10 мм[10].
Вчені зі Стенфордського університету зробили алмаз з нафти[23]
Див. також
- Знамениті алмази
- Алмазна лихоманка на півдні Африки
- Збагачення алмазоносної руди
- Карбонадо
- Процес Кімберлі
- Криваві алмази
- Діамант
- Мікроалмаз
- Ресурси і запаси алмазів
- Список мінералів
- Огранка
- Гіпералмаз
- Синтетичні алмази
Примітки
[[:Ернест_Генрі_Нікель|Нікель Е. Г.]],_[[:d:Q16917772|Nichols M. C.]]_[http://cnmnc.main.jp/IMA2009-01%20UPDATE%20160309.pdf_IMA/CNMNC_List_of_Mineral_Names_(March_2009)] _—_2009. [[d:Track:Q1356348]][[d:Track:Q16917772]][[d:Track:Q15205595]]