Як вирощують діаманти в лабораторії?

Діаманти в лабораторії не вирощують, так як діамант - це виріб, що отримується шляхом ограновування алмазу особливим чином (діамантове ограновування). У лабораторії вирощують алмази. А потім їх вже іноді (бо в основному алмази вирощують аж ніяк не для ювелірних потреб) ювелір-гранильщик перетворює в діаманти, переводячи часом більшу частину кристала в алмазну пил.

Методів вирощування алмазів зараз вже досить багато, деякі дозволяють отримати алмази нанометрових розмірів, цінні як поліруючих матеріалів, компонентів мастил, каталізаторів, сорбентів, люмінофорів і так далі, інші дають дрібні (від десятків мкм до одиниць міліметрів) кристали, придатні в як абразиви і в ріжучому інструменті, треті дають можливість отримувати великі високосовершенние кристали, придатні для ювелірних потреб, а також для створення широкого класу напівпровідникових приладів, де алмаз використовується як в якості активного середовища (алмазні фотоприемники УФ і рентгенівського випромінювання, детектори іонізуючих випромінювань, алмазні датчики температури, експериментальні СВЧ і високовольтні напівпровідникові прилади на основі алмазу), так і в якості підкладок і тепловідведення (унікальна теплопровідність алмазу дає можливість перевести в безперервний режим прилади, щільність тепловиділення в яких раніше давала можливість тільки імпульсної роботи); також такі великі алмазні кристали незамінні в техніці, де потрібні прецизійні зносостійкі підшипники. Нарешті, четвертий клас методів дозволяє отримувати алмазні і алмазоподібні вуглецеві плівки.

Алмаз термодинамічно стабільний в області високих тисків, а при нормальних умовах алмаз метастабільний і прагне перейти в графіт. І велика частина методів вирощування алмазних кристалів базується на створенні умов, в яких алмаз термодинамічно стабільний. Це надвисокі тиску - 5-8 ГПа, і температури понад 2000 ° С. Основна складність отримання великих скоєних кристалів - це підтримка цих умов стабільними протягом тривалого часу і в великому обсязі.

Безпосередньо перевести графіт в розплав, щоб отримати в результаті його кристалізації алмаз важко, так як температури, необхідні для цього, перевищує 4000 ° С, і таких температур не витримає жоден відомий матеріал. На практиці такі умови досягаються тільки при вибухах вибухових речовин в спеціальних умовах, на чому грунтуються детонаційні методи синтезу наноалмазов. Алмази ж більш-менш макроскопічного розміру отримують зазвичай з розчину в розплаві металевого нікелю. На використанні нікелевого "каталізатора" (Насправді є просто розчинником) засновані всі промислові методи отримання технічних синтетичних алмазів. Алмази більших розмірів виходять за таким же принципом, але існують відмінності. Крім великого обсягу ростової камери, використовуються більш низькі температури - 1400-1600 ° С (це знижує швидкість росту і сприяє зростанню досконаліших кристалів, а також знижує необхідний тиск і полегшує підтримку умов), в камері створюється градієнт температури між вихідною речовиною і кристалом , замість спонтанної кристалізації застосовується запал, а в якості вихідної речовини застосовують алмаз, а не графіт. Швидкість зростання становить на початку процесу 0,2 мм / год, а при розмірі кристала 5 мм швидкість знижується до 0,02-0,04 мм / год, так що зростання триває протягом тривалого часу. Величезний витрата енергії і фактична одноразовость камери високого тиску, в якій росте єдиний кристал, робить подібні синтетичні алмази більш дорогими, ніж природні, хоча останнім часом собівартість таких алмазів починає падати.

Інший клас методів заснований на тому, що вуглець з sp3-стану (характерного для алмазу, а також для всіх насичених вуглеводнів) в sp2-стан (в якому він знаходиться в графіті) переходить неохоче, з великим енергетичним бар'єром. Тому якщо відновлювати, наприклад, метан воднем при низькій температурі і низькому тиску, то незважаючи на те, що реакція відбувається в області термодинамічної стабільності графіту, при певних умовах графіт не утворюється, а вуглець кристалізується у вигляді алмазу або у вигляді алмазоподібних структур. Таким чином можна отримувати алмазні і алмазоподібні плівки і покриття, а також полікристалічні алмазні пластини, які мають усі наведені унікальними властивостями алмаза - твердістю, теплопровідністю. Але швидкість зростання в цьому методі вкрай мала - 0,1 мкм / год, і при отриманні товстих плівок і макроскопічних кристалів процес пріхдітся постійно зупиняти, щоб видалити утворилася на поверхні зростаючого алмазу графітову плівку.