Искусственные алмазы, произведенные в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса в Институте геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения РАН в Новосибирском Академгородке, 2017. Фото: Кирилл Кухмарь / ТАСС
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.
Алмазы | Как это устроено | Discovery
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».
Алмаз
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.
Источник: dzen.ru
Кто, когда и как впервые доказал, что алмаз состоит из чистого углерода?
Впервые количественно доказал, что алмаз состоит только из атомов углерода, английский химик, член Лондонского королевского общества (английской академии наук) Смитсон Теннант (1761 — 1815). В 1797 году он вместе со своим ассистентом Уильямом Волластоном (Уолластоном) провел опыт по сжиганию в кислороде известных количеств древесного угля (почти чистый углерод) и алмаза.
При этом были проанализированы продукты сгорания. В обоих случаях это был углекислый газ — что установил еще Лавуазье. Но оказалось, что на единицу массы угля и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Это доказывало, что в алмазе нет никаких других атомов, кроме атомов углерода. Теннант открыл иридий и осмий, а Уолластон — палладий и родий.
Теннант погиб в результате несчастного случая — обрушился мост, через который он проезжал верхом. В честь Теннанта назван минерал теннантит сложного состава.
модератор выбрал этот ответ лучшим
Источник: www.bolshoyvopros.ru
Глубинные алмазы образуются из углерода органического происхождения
Австралийские ученые на основе результатов изотопных исследований пришли к выводу, что углерод, из которого состоят алмазы, образующиеся в переходной зоне мантии, имеет органическое происхождение. Авторы предполагают, что первичным источником углерода для глубинных алмазов были обогащенные органическим веществом морские осадочные отложения, затянутые в мантию погружающимися литосферными плитами. На глубине более 400 километров эти отложения были переработаны, а содержавшийся в них углерод вошел в состав алмазов, которые затем были вынесены к поверхности плюмами — восходящими потоками мантийного вещества.
Большинство алмазов приурочено к трубкам взрыва — вертикальным структурам, образовавшимся при прорыве обогащенного газовой составляющей мантийного расплава сквозь земную кору. Заполняющие трубки взрыва магматические породы — кимберлиты, лампроиты и лампрофиры — содержат большое количество ксенолитов (измененных обломков мантийных пород) — перидотитов и эклогитов, — к которым и приурочены алмазы.
В тектоническом плане алмазоносные трубки взрыва располагаются в зонах древней континентальной коры, расположенных над крупными областями мантии с аномально низкими скоростями прохождения поперечных (или сдвиговых) сейсмических волн — провинциями с низкой скоростью сдвига (LLSVP — Large low-shear-velocity provinces), которые еще называют суперплюмами (подробнее о суперплюмах см. новость Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов, «Элементы», 10.01.2020). Ответвления суперплюмов — мантийные плюмы, — для которых тоже характерны пониженные скорости прохождения поперечных сейсмических волн, поднимаются вверх на тысячи километров, достигая нижней границы литосферы. Здесь в результате падения давления из мантийного расплава выделяется газовая фаза, и вскипающая магма прорывается на поверхность по ослабленным зонам, формируя трубки взрыва.
Минеральные и газово-жидкие включения в алмазах указывают на то, что подавляющее большинство из них образовались в верхней мантии на глубине от 150 до 300 км, а затем были вынесены на поверхность в составе мантийных ксенолитов. Но есть среди них небольшая группа — около одного процента от всех найденных алмазов, — которые, судя по составу включений, сформировались глубоко в недрах Земли, в переходной зоне мантии, расположенной на глубине от 410 до 660 км. Первые условно называют литосферными, а вторые — сублитосферными (или сверхглубинными континентальными).
Еще меньшая доля (существенно меньше одного процента от общего количества) алмазов находится в древней океанической литосфере, сохранившейся в офиолитовых комплексах по всему миру. Акцессорные алмазы в перидотитах офиолитовых поясов не представляют коммерческой ценности ввиду крошечных размеров и низкого качества, но чрезвычайно важны с научной точки зрения. Ранее ученые доказали, что такие океанические алмазы формировались на значительных глубинах, а наличие углеводородов в их газово-жидких включениях указывает на то, что на этих глубинах расплав уже содержал углерод, служивший источником вещества алмазов (см. новость Алмазы в перидотитах образовались из жидких и газообразных углеводородов переходной зоны мантии, «Элементы», 02.11.2017).
Рис. 2. Изотопный состав углерода алмазов трех генетических групп (а — литосферные континентальные; b —сверхглубинные континентальные; с — океанические), выраженный через показатель δ 13 C (в промилле). δ 13 C — отклонение изотопного отношения 13 C/ 12 C от сигнатуры стандартного образца PDB — белемнита мелового периода Belemnitella americana формации Peedee (см. Peedee Formation) в Южной Каролине. Розовым показаны алмазы из эклогитов; зеленым — алмазы из перидотитов; различными оттенками оранжевого и белым — сверхглубинные алмазы из месторождений Жуина-5 (Бразилия), Ягерсфонтейн и Монастырь (ЮАР), Сан-Луис (Бразилия) и Канкан (Гвинея), а также единичные сверхкрупные алмазы класса CLIPPIR (cores — ядра кристаллов; rims — краевые зоны); различными оттенками синего — океанические алмазы месторождения Рай-Из (Полярный Урал), Мирдирта (Албания) и Позанти-Карсанти (Турция). Серые вертикальные полосы — диапазоны изотопных значений: органического углерода (organic), мантийного углерода (mantle) и углерода карбонатных пород (carbonates). Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports
Австралийские геологи из Школы наук о Земле и планетах Университета Кёртина в Перте решили по изотопным данным определить источник углерода, входящего в состав алмазов всех трех групп. Результаты показали, что литосферные, сверхглубинные континентальные и глубинные океанические алмазы характеризуются различным соотношением в их составе углерода органического и неорганического происхождения. При этом, что удивительно, больше всего органического углерода оказалось в двух глубинных разновидностях (рис. 2).
Если связь континентальных алмазов с плюмовым магматизмом очевидна, то для объяснения появления глубинных алмазов в океанической коре, сформировавшейся из материала верхней мантии, в разное время предлагали разные механизмы, такие как возвратный поток мантийного вещества, возникающий при опускании субдуцирующей плиты (S. Arai, 2013. Conversion of low-pressure chromitites to ultrahigh-pressure chromitites by deep recycling: A good inference) или мантийный апвеллинг (J. Yang et al., 2015. Diamond-bearing ophiolites and their geological occurrence).
Авторы обсуждаемого исследования выдвинули свою, альтернативную гипотезу. На примерах конкретных офиолитовых поясов они показали, что алмазы в них связаны не с классическими офиолитовыми последовательностями, которые представляют собой нормальную океаническую литосферу, сформированную на срединно-океанических хребтах, а с наложенными производными крупных магматических провинций (см. Large igneous province, LIP) или базальтами океанических островов (см. Ocean island basalt, OIB). Первые, как известно, формируются над суперплюмами, а вторые характерны для так называемых горячих точек, являющихся проекцией на поверхность восходящих мантийных плюмов (подробнее о крупных магматических провинциях см. новость В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы, «Элементы», 18.04.2018).
В качестве подтверждения своей гипотезы о связи океанических алмазов с плюмами исследователи приводят факты находок алмазов в двух местах современного океана — в районе Гавайских островов и у острова Малаита в юго-западной части океанического плато Онтонг-Ява. Обе эти точки связаны с мантийными плюмами. Алмазы здесь приурочены к мантийным ксенолитам, где они встречаются совместно с минералами сверхвысокого давления. Изотопные значения δ 13 C в них очень низкие — от −30 до −20‰, то есть такие же, как у древних океанических алмазов из офиолитовых поясов.
Интересно то, что возраст известных алмазоносных офиолитов (430, 395, 165, 125 и 95 млн лет) в целом совпадает с пиками активности океанических мантийных плюмов за последние 500 млн лет. Аналогичная корреляция прослеживается и между континентальными плюмами и алмазоносными кимберлитами (рис. 3).
Рис. 3. Пики активности мантийных плюмов — океанических (показаны голубым) и континентальных (показаны оранжевым). По вертикали — количество событий, по горизонтали — возраст в млн лет. Пунктирная линия — временное распределение алмазоносных кимберлитов, фиолетовые ромбы — находки океанических алмазов, фиолетовые ромбы с белой каймой — находки сверхглубоких континентальных алмазов, в том числе самого большого алмаза в мире «Куллинан». Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports
Периодичность плюмовой активности авторы связывают с глобальной мантийной динамикой, вызванной суперконтинентальным циклом.
Отдельно авторы останавливаются на крайней неоднородности изотопных показателей сублитосферных алмазов. Значения δ 13 C в них колеблются от −30 до +3‰ (рис. 2). На первый взгляд при таком разбросе определенно говорить о каком–то одном источнике углерода вообще не приходится.
Однако детальное изучение алмазов из бразильских месторождений Жуина-5 и Сан-Луис, а также фрагментов нескольких крупных алмазов класса CLIPPIR (эта аббревиатура расшифровывается как Cullinan-like tend to be large, inclusion-poor, relatively pure, irregularly shaped, and resorbed — «похожие на «Куллинан», крупные, практически без включений, относительно чистые, неправильной формы и со следами резорбции»; резорбцией называют процессы, меняющие форму кристалла после завершения его роста, — например, растворение) показало, что все они демонстрируют изотопную зональность с очень легкими органическими фракциями в ядре (δ 13 C от −28 до −20‰) и более тяжелым мантийным изотопным составом углерода по краям (δ 13 C от −15 до −5‰). Исключение составляют только алмазы месторождения Канкан с аномально тяжелым углеродом, объяснения которому авторы пока не нашли.
Основываясь на том, что ядра сверхглубинных континентальных алмазов имеют тот же изотопный состав, что и океанические алмазы, а также на том, что и те, и другие приурочены к местам плюмового магматизма, авторы предполагают, что алмазы этих двух групп имеют общее происхождение. Они сформировались из одного и того же органического углерода, затянутого в переходную зону мантии субдуцирующей плитой, а затем были вынесены к подножью литосферы мантийными плюмами.
В случае тонкой океанической литосферы плюмы подходят близко к поверхности, и в ксенолитах горячих точек над плюмами оказываются практически неизмененные глубинные алмазы. Если же мантийный плюм упирается в мощную континентальную литосферу, алмазы продолжают свой рост в магматических очагах верхней мантии, где на более легкое по изотопному составу ядро нарастает оболочка из тяжелого углерода (рис. 4).
Рис. 4. Модель происхождения алмазов трех типов. Океанические и сверхглубинные континентальные алмазы (только ядра) образуются в переходной зоне мантии из субдуцированного органического углерода, а затем переносятся к основанию литосферы мантийными плюмами. Литосферные алмазы формируются в континентальной литосфере.
Здесь же на ядра сублитосферных алмазов нарастают внешние каймы. Оранжевым и темно-зеленым показана континентальная литосфера (кора и верхняя часть мантии); синим — океаническая литосфера (кора и верхняя часть мантии), погружающаяся в мантию в зоне субдукции; желтым — переходная зона мантии; красным — мантийные плюмы; черные ромбы — алмазы, сформировавшиеся в переходной зоне мантии; белые ромбы — алмазы, сформировавшиеся в литосфере; черные ромбы с белой каймой — алмазы смешанного происхождения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports
Это первая модель, которая связывает алмазы всех трех типов с единым процессом подъема мантийных плюмов. Она хорошо объясняет и то, почему океанические алмазы всегда очень мелкие (микро- или нанометровые): по сути дела, это ядра сверхглубинных алмазов без «литосферной» оболочки. Также впервые ученые доказали, что главную роль при формировании глубинных алмазов играл углерод первично органического происхождения.
Источник: Luc S. Doucet, Zheng-Xiang Li, Hamed Gamal El Dien. Oceanic and super-deep continental diamonds share a transition zone origin and mantle plume transportation / Scientific Reports. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-96286-8.
Владислав Стрекопытов
Источник: elementy.ru