Как выращивают бриллианты в лаборатории?

Бриллианты в лаборатории не выращивают, так как бриллиант -- это изделие, получаемое путем огранки алмаза особым образом (бриллиантовая огранка). В лаборатории выращивают алмазы. А потом их уже иногда (потому что в основном алмазы выращивают отнюдь не для ювелирных нужд) ювелир-гранильщик превращает в бриллианты, переводя порой большую часть кристалла в алмазную пыль.

Методов выращивания алмазов в настоящий момент уже довольно много, некоторые позволяют получить алмазы нанометровых размеров, ценные в качестве полирующих материалов, компонентов смазок, катализаторов, сорбентов, люминофоров и так далее, другие дают мелкие (от десятков мкм до единиц миллиметров) кристаллы, пригодные в качестве абразивов и в режущем инструменте, третьи дают возможность получать крупные высокосовершенные кристаллы, пригодные для ювелирных нужд, а также для создания широкого класса полупроводниковых приборов, где алмаз используется как в качестве активной среды (алмазные фотоприемники УФ и рентгеновского излучения, детекторы ионизирующих излучений, алмазные датчики температуры, экспериментальные СВЧ и высоковольтные полупроводниковые приборы на основе алмаза), так и в качестве подложек и теплоотвода (уникальная теплопроводность алмаза дает возможность перевести в непрерывный режим приборы, плотность тепловыделения в которых раньше давала возможность только импульсной работы); также такие крупные алмазные кристаллы незаменимы в технике, где требуются прецизионные износостойкие подшипники. Наконец, четвертый класс методов позволяет получать алмазные и алмазоподобные углеродные пленки.

Алмаз термодинамически стабилен в области высоких давлений, а при нормальных условиях алмаз метастабилен и стремится перейти в графит. И большая часть методов выращивания алмазных кристаллов базируется на создании условий, в которых алмаз термодинамически стабилен. Это сверхвысокие давления -- 5-8 ГПа, и температуры свыше 2000 °С. Основная сложность получения крупных совершенных кристаллов -- это поддержание этих условий стабильными в течение длительного времени и в большом объеме.

Непосредственно перевести графит в расплав, чтобы получить в результате его кристаллизации алмаз затруднительно, так как температуры, необходимые для этого, превышают 4000°С, и таких температур не выдержит ни один известный материал. На практике такие условия достигаются только при взрывах взрывчатых веществ в специальных условиях, на чем основаны детонационные методы синтеза наноалмазов. Алмазы же более-менее макроскопического размера получают обычно из раствора в расплаве металлического никеля. На использовании никелевого "катализатора" (на самом деле являющегося просто растворителем) основаны все промышленные методы получения технических синтетических алмазов. Алмазы более крупных размеров получаются по такому же принципу, но существуют отличия. Помимо большого объема ростовой камеры, используются более низкие температуры -- 1400-1600 °С (это снижает скорость роста и способствует росту более совершенных кристаллов, а также снижает необходимое давление и облегчает поддержание условий), в камере создается градиент температуры между исходным веществом и кристаллом, вместо спонтанной кристаллизации применяется затравка, а в качестве исходного вещества применяют алмаз, а не графит. Скорость роста составляет в начале процесса 0,2 мм/ч, а при размере кристалла 5 мм скорость снижается до 0,02-0,04 мм/ч, так что рост продолжается в течение длительного времени. Огромный расход энергии и фактическая одноразовость камеры высокого давления, в которой растет единственный кристалл, делает подобные синтетические алмазы более дорогими, чем природные, хотя в последнее время себестоимость таких алмазов начинает падать.

Другой класс методов основан на том, что углерод из sp3-состояния (характерного для алмаза, а также для всех насыщенных углеводородов) в sp2-состояние (в котором он находится в графите) переходит неохотно, с большим энергетическим барьером. Поэтому если восстанавливать, к примеру, метан водородом при низкой температуре и низком давлении, то несмотря на то, что реакция происходит в области термодинамической стабильности графита, при определенных условиях графит не образуется, а углерод кристаллизуется в виде алмаза либо в виде алмазоподобных структур. Таким образом можно получать алмазные и алмазоподобные пленки и покрытия, а также поликристаллические алмазные пластины, обладающие всеми уникальными свойствами алмаза -- твердостью, теплопроводностью. Но скорость роста в этом методе крайне мала -- 0,1 мкм/ч, и при получении толстых пленок и макроскопических кристаллов процесс прихдится постоянно останавливать, чтобы удалить образовавшуюся на поверхности растущего алмаза графитовую пленку.