встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом
электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике.
Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие
находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин,
загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что
многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными
камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое
время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или
другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и
техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко
встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления
деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что
удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков
новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных
исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической
чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся
в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в
условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного
изготовления монокристаллов.
Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек
предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью
философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные
камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики
совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь
тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В
настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов.
Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже
может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов,
существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот.
Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима
выращивания кристаллов.
Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас
производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях
невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля
«Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.
Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления
необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых
кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на
глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу,
получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих
глубинах составляет 1000—1100°С, а давление превышает несколько десятков
атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как
показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы
поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких
условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают
карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной
массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления
в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет
механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва
газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с
большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам.
Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната —
пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита.
Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал,
сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.
Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. в Южной Африке.
В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии. Алмазы
добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размыва коренных
месторождений.
Около ста лет назад люди впервые попытались получить синтетический алмаз.
Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Он получил мелкие
кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло, литий и
углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первые
искусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллы
таким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало.
Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно
фантастическим. Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он
наполнял стальной цилиндр графитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в
топке. Затем два года заставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли
значительного размера. Как пишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей
аппаратуре два года, чтобы температура снижалась постепенно. Под конец я
перестал поддерживать огонь. Я извлек цилиндр и вскрыл его, он был еще так
горяч, что обжигал мне руки, выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и
размельчил ее молотком нa чугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять
мелких алмазов». Разумеется, этот способ получения алмазов совершенно
фантастический, и алмазы таким путем получить нельзя.
И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В 1955 г. была
разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни
тысяч атмосфер при температурах 1200—1500°С. В 1960 г. на июльском пленуме
ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР. Советский
искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с 1965
г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошка
графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков
размером до 2—3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000°С
при давлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графит
превращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные
установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя
из термодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитана
теоретическая кривая перехода графит — алмаз.
Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическую форму. По
твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производство
искусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для
нужд буровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы
алмазов пока получены в незначительном количестве.
Был даже сконструирован специальный робот, который вырабатывает алмазы.
На железную ладонь робота кладут сырье — графит. Робот вкладывает графит
в свою «грудь»—печь, в которой графит нагревается до высоких температур при
больших давлениях. В конце концов опять же на ладонь робота выпадает
кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.
Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условиях высоких
давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-за
низкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время,
считается метод выращивания алмазов при совместном отложении графита и
алмаза при температурах 1000—1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi).
Затем графит сжигается в водородной среде при давлении 5 • 105— 20 • 105 Па
и получается чистый алмаз.
Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней — рубинам и сапфирам.
Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия (глинозем), в
природе встречаются в различных магматогённых и метаморфических породах.
Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того, чтобы
он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должна
быть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот же
химический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимы
благоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе
определенных химических элементов. Поэтому природные месторождения
драгоценных рубинов и сапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения
в Индии и Шри Ланка.
Извлекать кристаллы из плотных метаморфических или магматических пород
очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина и сапфира имеют
остаточные и россыпные месторождения.
Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в небольшой
лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералог А. Е.
Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улице захолустного
городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесном помещении
среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрических
приборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается в
печи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка.
Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького
красного стерженька снимает красную прозрачную грушу,..». Этот способ
получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора
Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где
происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой
температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и
попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в
качестве затравки. На затравке кристаллизуется прозрачная «булька» —
грушевидный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. В России
в настоящее время работают аппараты системы Попова, которые позволяют
получать синтетические монокристаллы рубина в виде стержней диаметров 2—4
см и длиной до 2 м. Самым новым методом получения искусственных рубина и
сапфира является метод диффузионной плавки постепенно вытесняющий метод
Вернейля.
Красная окраска искусственного рубина получается за счет добавки оксида
хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществ получают синюю
окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые, фиолетовые
окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище,
прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовления
