Король минералов [1980 Дерягин Б.В., Федосеев Д.В.

Алмаз - драгоценный камень. Алмаз по праву считается одним из самых дорогих минералов. Даже крохотные алмазики стоят в сотни раз дороже равных им по весу кусочков платины и золота, большие же алмазы просто неоценимы по сравнению с другими драгоценными камнями. Ювелиры огранкой алмаза изготавливают из него бриллиант, который отличается изумительным свойством превращать луч света в веселую радугу. Камень при малейшем движении искрится и переливается - "играет" пестрыми тонами дивных оттенков.

Как известно, луч света состоит из лучей разного цвета. Они составляют спектр, в котором крайними являются красный и фиолетовый лучи. Проходя через разные прозрачные материалы, световой луч преломляется по-разному, причем каждому цвету присущ свой, определенный характер преломления. Материал, пропускающий лучи, характеризуется показателями их преломления и разностью показателей преломления красного и фиолетового лучей. Разность показателей преломления красного и фиолетового лучей определяет дисперсию материала. "Игра" алмазного кристалла объясняется высокими показателями преломления и высокой дисперсией. Луч белого света, преломляясь в алмазе, дает более широко расходящийся пучок спектральных лучей и поэтому более заметно переливается всеми цветами радуги.

Алмаз (вверху) и кварц (внизу). 'Игра' алмаза зависит от сильного преломления лучей в кристалле. Пройдя алмаз, они расходятся веером. Это и есть дисперсия

По прозрачности алмазы делят на несколько категорий, В самых прозрачных кристаллах дефекты не видны даже под лупой с 10-кратным увеличением - эти алмазы безупречны. Наименее прозрачны кристаллы, дефекты которых можно обнаружить невооруженным глазом. Однако даже самый чистый кристалл алмаза (его называют алмазом "чистой воды") имеет различные включения и примеси. От их присутствия зависит поглощение кристаллом лучей того или иного участка спектра. Это, в свою очередь, тоже влияет на цветные эффекты алмаза.

Сокровища Алмазного фонда СССР. 1. Алмаз 'Орлов' (189,62 карата), вставленный в скипетр, XVI в.

Самым дорогим обычно считается бесцветный алмаз. Однако в природе бывают кристаллы алмаза ярких чистых тонов красного, зеленого, голубого и оранжевого цветов. Эти камни за свои качества ценятся еще выше.

Ценность кристалла зависит не только от его прозрачности и цвета, но и от огранки - качества шлифовки и формы готового алмаза. Чаще всего встречаются огранки "роза", "маркиза", "бриллиантовая", в виде грушевидной формы. Бриллиантовая огранка самая привлекательная: камень приобретает максимальный блеск, замечательную "игру" и "огонь".

2. Алмаз 'Шах' (88,7 карата), XVII в. Имеет большую историческую, художественную и материальную ценность

Этого добиваются, придав алмазу форму с 58 гранями, положение которых определяется с геометрической точностью.

Стоимость алмаза определяется и его весом: чем больше камень, тем выше его цена. Вес алмаза измеряется в специальных единицах - каратах (0,2 г). В древние времена в качестве одного из мерил использовали семена рожкового дерева, по-гречески "кератион". Отсюда и пошло название "карат". Наиболее крупные алмазы достигают 200 и более каратов. Самые известные среди них - алмазы "Надежда", "Орлов", "Коинур", "Великий Могол", "Шах".

Необыкновенная красота алмаза стала причиной его сложной судьбы. На протяжении многих веков удивительному камню приписывали различные магические свойства: его считали приносящим удачу, счастье, охраняющим верность и вечную любовь, дарящим мужество и вселяющим страх. Особенно крупные алмазы становились символами власти и богатства. Их история наполнена невероятными происшествиями, похищениями и обманами. У дого большого камня - своя многогранная жизнь. Так, алмаз "Коинур", сияющий сейчас в короне английской королевы, в XIX в. принадлежал афганскому шаху Шуджа. Ради того, чтобы удержать у себя эту величайшую драгоценность, шах пошел даже на пытки, но все равно лишился камня. Бриллиант "Надежда" приносил несчастья всем своим владельцам, начиная с Людовика XIV и кончая американкой Эвелин Уолш. Легенды повествуют о многих убийствах, заговорах и катастрофах, связанных с этим красивейшим кристаллом.

Состав и структура алмаза. Эти легендарные кристаллы, как и все алмазы вообще, состоят из углерода, который очень распространен в природе. Из атомов углерода образуется и графит, и каменный уголь, причем по числу атомов молекулы графита и каменного угля совершенно не отличаются от молекулы бесцветного алмаза. Такой алмаз представляет собой чистейший углерод, а окраску кристаллу придают примеси.

Человек далеко не сразу понял, что алмаз - одна из форм углерода. Такое открытие стало результатом долголетнего исследования алмаза учеными. Сначала в конце XVII в. Исаак Ньютон, изучая преломление света органическими веществами, сделал смелое предположение об органической природе алмаза; затем в 1772 г. известный французский химик Антуан Лавуазье исследовал воздействие сконцентрированного гигантской линзой солнечного излучения на алмаз. Он обнаружил, что алмаз сгорает на воздухе, а продукты реакции вызывают такое же помутнение известковой воды, как и углекислый газ. Английский химик Смитсон Теннан пошел дальше. Нагревая в герметически закрытом золотом сосуде с селитрой одинаковые навески угля, графита и алмаза, он в 1797 г. установил, что образуются одинаковые количества "связанного воздуха". Окончательно убедились в тождественности алмаза углероду англичане Хэмфри Дэви и Майкл Фарадей. В 1814 г. с помощью зажигательного стекла и солнца они сжигали тщательно взвешенные алмаз и графит в чистом кислороде, предварительно измерив его количество в реакционном сосуде. Исследователи убедительно доказали, что после сжигания алмаза образуется только углекислота, и ничего более. Краткая история изучения природы алмаза завершилась в 1913 г., когда отец и сын Брегги получили рентгенограмму алмаза и установили его внутреннюю структуру, т. е. расположение атомов в его кристаллической решетке.

Именно с кристаллической структурой алмаза связаны его удивительные оптические качества, уникальные физические и химические свойства. Минимальная полная ячейка алмаза имеет кубическую решетку, содержащую 18 атомов углерода, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 - в центре его граней, 4 - в центрах четырех (из восьми) кубов, образованных делением элементарной ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза (расстояние, на котором полностью повторяется структура) составляет 3,657А (А=10^-10м=1 ангстрем), а кратчайшее расстояние между атомами равно 1,54А. Каждый атом углерода в решетке алмаза имеет четырех эквивалентных соседей, расположенных под углом 109°30' по отношению друг к другу. В алмазе каждый из четырех валентных электронов вступает в ковалентную связь с одним из электронов соседнего атома. Ковалентная связь характеризуется очень высокой прочностью. Из элементов кристаллической структуры алмаза складываются кристаллы, которые обычно имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, гексоэкосоэдра, куба, иногда встречаются комбинации этих фигур.

Кристаллическая решетка алмаза (вверху) и графита (внизу). С кристаллической структурой алмаза связаны его удивительные свойства

Алмаз состоит из чистого углерода. Но последний может складывать и другую кристаллическую решетку с другим типом связей атомов в кристаллах, образуя совершенно отличающееся по своим свойствам от алмаза вещество - графит. Графит имеет сложную, слоистую структуру с расстоянием между слоями 3,39А. Атомы в слое образуют правильные шестиугольники со стороной 1,42 А. Взаимная ориентация слоев такова, что три вершины шестиугольников одного слоя находятся под центрами шестиугольников другого. Поэтому полная повторяемость структуры графита равна удвоенному расстоянию между слоями. Благодаря своей слоистой структуре графит легко расщепляется на чешуйки, но в самом слое атомы углерода связаны друг с другом даже прочнее, чем в алмазе.

Уникальные свойства алмаз получил в результате необычных условий, в которых он формировался миллионы лет назад. Огромная температура и высокое давление в недрах Земли заставили атомы углерода построиться в правильные кубические решетки, придавшие минералу непревзойденную твердость.

Алмаз - эталон твердости. Алмаз ценен не только своими необыкновенными оптическими свойствами, которыми отчасти обладают и некоторые другие минералы, например циркон. Алмазный кристалл привлекает ученых и инженеров высокой механической стойкостью.

Школа твердости минералов

Механическая стойкость кристалла определяется твердостью - сопротивлением вдавливанию или царапанию его другим предметом. Твердость можно замерять разными способами. Каждый способ имеет свою шкалу твердости и свое распределение кристаллов на этой шкале. Алмаз в любой шкале становится эталоном твердости.

В 1811 г. немецкий минералог Ф. Моос предложил свою шкалу твердости. Шкала Мооса сейчас одна из наиболее известных. Она основана на том, что более твердый материал оставляет царапины на более мягком. В качестве эталонных для шкалы материалов Моос взял 10 минералов: самый мягкий - тальк, его твердость была принята за 1, затем гипс - 2, кальций - 3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9 и самый твердый - алмаз - 10 единиц. Любой другой минерал (или вообще любое твердое тело, например стекло, металл и пр.) можно поместить на шкале между двумя минералами, из которых один царапает данное тело, а другой, наоборот, царапается им. Однако такой способ не очень удобен: здесь многое зависит от формы тел и минералов и способа нанесения царапин. К тому же твердость разных граней одного и того же кристалла неодинакова. Например, у алмаза наибольшей твердостью обладает грань октаэдра, наименьшей - грань куба.

Известен и другой способ определения твердости. В отшлифованную поверхность исследуемого тела вдавливают с постоянной силой алмазную четырехгранную пирамиду. Чем меньше площадь образующейся ямки, тем выше твердость опытного образца. Чтобы получить численный показатель его твердости, силу (в кг), с которой вдавливали пирамиду, делят на площадь ямки (в мм²).

Данный показатель (в кг/мм²) несколько меняется в зависимости от силы прижима алмазной пирамиды. Особенно сильно измененным получается он у тел с неодинаковыми по всей глубине свойствами. Например, стекло, закаленное быстрым охлаждением расплава, имеет более плотный поверхностный слой: он остыл, сжался и затвердел в первую очередь, а внутренние части, заключенные в образовавшуюся "корочку", сохранили состояние меньшей плотности. В таких случаях удобнее измерять твердость при очень малом вдавливании алмазной пирамиды. Что же касается площади ямки, то она измеряется под микроскопом с сильным увеличением. Специальные приборы для измерения этой микротвердости были разработаны учеными Института машиноведения АН СССР М. М. Хрущёвым и Е. С. Берковичем.

Новый способ дал интересные результаты. Были измерены показатели твердости для кварца - 1100 г/мм², топаза - 1400, корунда - 2100, алмаза- 10000 кг/мм².

Как видим, алмаз и здесь является эталоном твердости. По новой шкале, в частности, легко количественно охарактеризовать твердость тел, которые по этому показателю должны располагаться между алмазом и корундом.

Алмаз хрупкий. Твердость вещества - мера его стойкости. Однако, обладая высокой механической стойкостью, алмаз считается хрупким материалом. Он разрушается от ударов и, следовательно, имеет невысокую прочность.

Люди долгое время путали эти два важных качества короля минералов - твердость и прочность. Не избежал этого и знаменитый поэт и философ древнего Рима

Ошибался Лукреций: алмазы боятся ударов! Именно это свойство - хрупкость - и мешает использованию кристаллов алмаза в резцах для обработки поверхности, имеющей отверстия или углубления. Такой резец испытывает удары о стенки отверстий.

Алмаз химически стойкий. Он очень устойчив химически. Алмаз не растворяется даже при кипячении в серной, азотной, плавиковой кислотах или их смесях, разрушающе действующих на другие минералы. Для него не опасна и кипящая хлорная кислота, легко растворяющая графит. Алмаз медленно окисляется в расплавах щелочей и более стоек, чем графит, при окислении кислородом. Ни молекулы, ни атомы водорода не действуют на алмаз, тогда как графит легко превращается в газ при взаимодействии с атомами водорода.

Без доступа кислорода алмаз выдерживает кратковременный нагрев даже до 2000° С. Однако в среде, где присутствует кислород, при температурах выше 1500° С алмаз легко окисляется и переходит в графит.

Это свойство алмаза ограничивает скорость обработки материалов алмазным инструментом, так как при больших скоростях алмаз от трения нагревается и окисляется кислородом воздуха - происходит химический износ алмаза.

Если механическая твердость и химическая стойкость алмазного кристалла ценились раньше только в ювелирном деле, то с началом технического использования алмаза они играют особую роль. Будучи самым твердым телом, алмаз используется не только для определения твердости других тел, но и для обработки материалов резанием, сверлением, грубой и тонкой шлифовкой, полировкой.

Для применения алмаза в некоторых новых технических направлениях имеют большое значение и другие его уникальные свойства, такие, как высочайшая теплопроводность в сочетании с высоким электрическим сопротивлением. Например, алмазы при температурах выше 100° (по шкале Кельвина) обладают теплопроводностью более высокой, чем даже серебро и медь, причем коэффициент теплового расширения очень мал. Благодаря этому алмаз не боится резких нагревов внешними источниками тепла.

Алмаз является великолепным изолятором и поэтому очень нужен в микроэлектронике. Достаточно сообщить отдельным участкам поверхности алмаза полупроводниковые свойства, и их можно использовать для получения микросхем. Кристаллы алмаза находят и другое применение в области радиоэлектроники.

Так алмаз, продолжая свою многовековую историю самого красивого драгоценного камня, приобретает и различные специальности.