Друзья-соперники
Наша книга посвящена алмазу как естественному природному образованию, но не коснуться хотя бы вкратце такого вопроса, как искусственное получение алмазов, невозможно. Ведь здесь слились воедино и опыт десятков исследователей, действовавших методом «проб и ошибок», и блестящий научный прогноз, и удивительное мастерство и упорство экспериментаторов, и, наконец, практический «результат», экономический эффект которого измеряется не в миллионах, а в миллиардах рублей.
Стоит человеку хотя бы приближенно уяснить, что представляет собой то или иное естественное вещество, как он тут же начинает соревноваться с природой, пытаясь получить то же вещество искусственно (из более дешевых исходных материалов и более экономичным путем). При этом конечная цель — превзойти природу, создать аналогичные вещества, но с новыми, необычными свойствами.
И алмаз в этом отношении не явился исключением. Как только опытами А. Лавуазье, С. Теннанта, X. Деви было установлено, что алмаз и графит химически суть одно и то же, а именно элемент углерод, и что алмаз переходит в графит при нагревании до 1500 °C без доступа воздуха, сразу же возникла мысль о возможности осуществления и обратного перехода, т. е. о получении искусственного алмаза из графита или какого-либо другого углеродсодержащего соединения. И начались опыты.
Дело казалось простым, ясным и беспроигрышным. Надо, представлялось широкому кругу лиц, только поместить углеродсодержащее вещество в какую-то герметическую емкость (лучше всего запаянные металлические цилиндры или трубы), затем нагреть ее как можно больше и резко охладить. Остается вскрыть емкость и извлечь оттуда образовавшиеся алмазы. Провести такой опыт может практически каждый. И неудивительно, что в экспериментаторов нередко превращались клерки и врачи, аптекари и коммерсанты — многие жаждали превратить такой дешевый материал, как уголь, в драгоценные бриллианты.
Аналогичные опыты в тех или иных вариантах проводили и настоящие ученые: французы Каньяр-Латур, А. Муассан, Ганкаль, чехи Фридлендер и Хасслингер, немцы Вольф и Баумень, англичанин Ченнел, русские исследователи В. Н. Каразин и К. Д. Хрущев.
Постепенно сложилось мнение, что в синтезе алмазов давление играет по крайней мере не меньшую роль, чем температура. Собственно говоря, эта мысль подспудно присутствовала и в более ранних опытах, так как при резком охлаждении расплавленного материала должны развиваться высокие давления.
Аналогичным образом рассуждал английский минералог Б. Хенней: алмаз образуется из углерод содержащих веществ в результате воздействия высоких температур и давлений; при этом углерод сначала растворяется в расплавленном металле, а затем в результате резкого охлаждения и возникающих при этом гигантских давлений кристаллизуется в виде алмаза.
В период с 1878 по 1880 г. Б. Хенней поставил ряд опытов. В толстостенную железную трубу, стянутую для прочности стальными кольцами, помещалась смесь из 90 частей парафина, 10 частей костного масла и 4 частей металлического лития. Ханней полагал, что при высоких температурах парафин и костное масло будут разлагаться с выделением свободного углерода, а последний будет тут же поглощаться расплавленным литием.
Заваренную трубу, набитую на 3/4 упомянутой смесью, Хенней поместил в печь и нагрел до темно-красного каления (характерно, что такую процедуру до конца выдержали только три трубы из 80), а затем резко охладил в баке, наполненном раскрошенным льдом. Одна из остывших труб была распилена, из нее извлекли черный спекшийся брикет. После необходимых аналитических процедур в данном брикете обнаружили 11 блестящих кристалликов, которые прекрасно резали стекло и не растворялись ни в каких кислотах.
Однако результаты Хеннея не вызвали особого интереса — слишком много в то время ходило сенсационных слухов о синтезе алмазов. После смерти исследователя его камни были переданы в Британский музей и помещены в застекленную витрину с этикеткой «Искусственные алмазы Хеннея».
Прошло свыше 60 лет, и вот в 1943 г. английские ученые Ф. Баннистер и К. Лонсдейл заинтересовались таинственными кристаллами Б. Хеннея. Проведенное этими учеными рентгенографическое изучение камней показало, что все они, без сомнения, являются алмазами. Так неужели же Хенней действительно впервые в истории получил искусственные алмазы? Баннистер и Лондсдейл решили повторить опыты Хеннея, пунктуально воспроизведя все их условия. Результаты были полностью отрицательными.
К. Лонсдейл, учитывая, что свойства алмазов, якобы полученных Хеннеем, существенно отличаются друг от друга, допускала, что эти камни на самом деле естественного происхождения, даже из различных природных источников (месторождений). Существует версия, будто бы помощник Хеннея, которому надоело возиться с опасными опытами, подложил в одну из труб кристаллики настоящих алмазов. Вообще же тайна «алмазов Хеннея», покоящихся на черном бархате в витрине одного из залов Британского музея, до сих пор не разгадана.
Постепенно для ученых становилось все яснее, что главным параметром, определяющим успех синтеза алмазов, является давление. Но как повысить его в ходе опытов? Один из возможных способов — взрыв. Так, еще в 1897 г. итальянец Майорана поместил в обычную «нагревательную» трубу заряд пороха, считая, что в результате взрыва разовьются давления, достаточные для образования алмазов. Но алмазы так и не получились.
Другой способ получения высокого давления — давить прессом. Англичанин Ч. Парсонс в своих опытах довел давление до 980 МПа, а американец У. Бриджмен — до 41,65 ГПа, но, несмотря на это, им так и не удалось искусственно получить алмаз. Однако теоретические и практические работы У. Бриджмена, лауреата Нобелевской премии, основоположника современной техники получения высоких давлений, подготовили будущий успех в осуществлении синтеза алмазов.
В итоге разнообразных исследовательских работ было установлено, что для получения искусственных алмазов необходимы необычайно высокие температура и, главное, давление. Высокие — но какие? Нужно было получить несколько вполне конкретных цифр, для чего необходимо было решить задачу чрезвычайной сложности — расшифровать природные закономерности.
Именно это и было совершено советским ученым Овсеем Ильичом Лейпунским. В 1939 г. он опубликовал свою знаменитую теоретически рассчитанную диаграмму — диаграмму фазового состояния углерода в различных условиях. Из диаграммы следовало, что для перехода графита в алмаз необходимы температуры около 2000 °C и давления не менее 6 ГПа. Кроме того, О. И. Лейпунский обосновал необходимость применения специальных растворителей (жидких металлов) для ускорения перехода графита в алмаз. Сформулированное этим ученым рациональное сочетание трех условий, необходимых для синтеза алмазов (значения температуры, давления и наличие определенной среды), лежит в основе подавляющего большинства современных методов производства синтетических алмазов при высоких статических давлениях.
Итак, после публикации О. И. Лейпунского стало ясно, как превратить графит в алмаз. Осталось технически реализовать эту идею. И во многих странах мира закипела работа, однако с началом второй мировой войны она была почти везде практически свернута. И наверное, не случайно, что первой страной, где удалось получить синтетические алмазы, стала не участвовавшая в войне нейтральная Швеция, где в 1953 г. успеха добилась группа под руководством Б. Платена и Э. Лундблада, работавшая под эгидой Всеобщей шведской электрической компании (ASEA).
Однако компания столь тщательно засекретила свой успех, что о нем стало известно лишь спустя десять лет.
Параллельно аналогичные работы велись и в других странах. В США крупнейшая компания «Дженерал электрик» перед войной заключила договор с группой физиков, возглавляемых У. Бриджменом. Компания предоставила ученым полную свободу действий и неограниченные средства. В 1953 г. была изготовлена мощная установка «Белт», на которой достигалось давление в 20 ГПа при температуре 5000 °C. И после ряда неизбежных неудач 16 декабря 1954 г. на установке «Белт» были получены синтетические алмазы. «Дженерал электрик» запатентовала свое открытие и приступила к промышленному производству искусственных алмазов в 1955 г., опередив первооткрывателей шведов, слишком перемудривших с засекречиванием. В 1957 г. компания объявила, что изготовила 100 тыс. карат алмазных порошков и что стоят они чуть-чуть дороже порошков из природных алмазов.
После войны проблема получения искусственных алмазов чрезвычайно остро встала и в нашей стране. Поставки алмазного инструмента по ленд-лизу прекратились, отечественные природные алмазы пока еще не имели промышленного значения, а синтетические алмазы продавались американскими и шведскими фирмами по ценам, сопоставимым с ценами бриллиантов. Поэтому Академией наук СССР было поручено трем ученым — Л. Ф. Верещагину, Ю. Н. Рябинину и В. А. Галактионову — продолжить начатые еще перед войной работы по синтезу алмазов. И в 1958 г. были получены первые советские синтетические алмазы (из них были изготовлены сувенирные гравировальные карандаши, один из них преподнесен в дар академику П. Л. Капице). В 1960 г. на экспериментальной аппаратуре ученые добились стабильного получения искусственных алмазов.
Однако одно дело — получать синтетические алмазы на лабораторной установке, и совсем другое — разработать промышленную технологию и наладить производство алмазов в масштабах, обеспечивающих все потребности отечественной промышленности. Нужны были люди, готовые принять на себя большую ответственность по организации такого уникального производства. И такие люди конечно нашлись.