Алмазный век грядет: синтетические алмазы
- Способ Gemesis Большое давление, большие температуры. Кристалл вырастает в камере, имитирующей условия земной коры.
Способ Apollo Химическое осаждение паров.
- Кристалл получается, в то время, когда из облака плазмы идет ливень, что попадает на алмазную подложку.
Неестественные микроалмазы для промышленного применения.
Современная сенсация — синтетические ювелирные бриллианты
Аарон Вейнгаартен наблюдает на желтый бриллиант через ювелирную лупу. Мы в Антверпене, в гостиной Вейнгаартена, полной позолоты и мрамора, на краю района ювелиров, в самом центре алмазной вселенной. Практически 80% всех алмазов и бриллиантов в мире проходят через руки бельгийских торговцев камнями наподобие Вейнгаартена, что носит чёрный костюм и окладистую бороду ортодоксального иудея. «Камень весьма редкий, — бормочет себе под шнобель ювелир, — желтые бриллианты для того чтобы оттенка отыскать весьма непросто.
Данный стоит 10, может, 15 тысяч долларов». Я информирую ему, что в кармане у меня два совершенно верно таких же. Он кладет камень на стол и в первоначальный раз наблюдает на меня без шуток.
Я выкладываю еще два камня. Все они одного цвета и размера. Возможность отыскать три однообразных желтых бриллианта приблизительно такая же, как кинуть монету 10 тысяч раз и ни разу не заметить орла. «Это что, кубическая окись циркония (в Российской Федерации данный камень больше известен называющиеся «фианит»)?» — не особенно сохраняя надежду на утвердительный ответ, задаёт вопросы Вейнгаартен.
Я отвечаю, что все бриллианты — настоящие, их изготовила машина, находящаяся во Флориде. Неспециализированная цена производства не превысила много долларов. Ювелир ерзает на стуле, неотрывно смотря за камнями, каковые лежат на столе в его гостиной. «В случае если их нельзя отличить, индустрии придет финиш», — резюмирует он.
При температуре 1200оС под давлением приблизительно 50 тыс. воздухов углерод кристаллизуется в самый жёсткий из известных материалов. Как раз так сформировались бриллианты глубоко в земной коре 3,3 млрд. лет назад. Воссоздать такие условия в лаборатории непросто, но попыток предпринималось много.
Начиная с середины XIX века десятки «алхимиков» пострадали в следствии несчастных случаев, случившихся при попытках изготовить бриллианты. Последние десятилетия принесли успех, пускай скромный. Начиная с 1950-х инженеры обучились производить небольшие кристаллы для промышленного применения — покрытия выпивал, шлифовальных кругов и буровых коронок. Но летом 2003 года на рынок попала первая волна неестественных алмазов ювелирного качества.
Делать их обучились две компании — Gemesis во Флориде и Apollo Diamond в Бостоне.
Неожиданный выход на рынок ненатуральных камней угрожает необратимо трансформировать алмазную индустрию, ежегодный оборот которой оценивается в $7 млрд. Но серьёзнее второе — массовое производство алмазов открывает двери разработке алмазных полупроводников. Оказывается, бриллиант — не только самый жёсткий камень на земле, он кроме этого владеет самой высокой теплопроводностью.
Сегодняшние полупроводники греются приблизительно до 100оС, а при предстоящем нагревании трудиться. Алмазные микросхемы, наоборот, возможно греть до температур, в то время, когда простой кремний уже давно бы расплавился.
Генерал
Интернациональный концерн De Beers уже 115 лет как монополизировал алмазный бизнес, уничтожая соперников методом регулирования предложения алмазов на рынке. За собственную продолжительную историю De Beers пережила бессчётные африканские восстания, боролась с американским антимонопольным законодательством, уклонялась от обвинений в эксплуатации несчастных рабочих третьего мира. Не сломило ее открытие и монополию бессчётных алмазных месторождений в Австралии, Сибири и Канаде.
У компании большой полный Контроль и рекламный бюджет над каналами распространения камней. Но чего у De Beers нет — так это отставного генерала Картера Кларка.
Картеру Кларку 75 лет. Он ушел в отставку более 30 лет назад, но командных навыков так и не потерял. В то время, когда генерал появляется в офисе компании Gemesis, которую он основал во второй половине 90-ых годов XX века с целью наладить массовое производство алмазов, сотрудники встают в приветствии. В противном случае запрещено.
Особенно учитывая, что «Генерал», как его тут прозвали, всегда отдаёт своим подчиненным честь, как словно бы они — его армия, которая идет в бой. «Я был в Корее и Вьетнаме», — информирует Генерал, дав мне честь в приемной. — Так что уж поверьте, справлюсь и с алмазным бизнесом". Кларк показывает мне собственную новую фабрику, расположенную в промышленной территории неподалеку от города Сарасота (Флорида).
В строении планируется разместить автомобили для производства алмазов, каковые похожи на медицинские устройства поддержания судьбы. В строю 27 таких автомобилей. Компания Gemesis сохраняет надежду вводить в строй по 8 штук каждый месяц. В этом ангаре их число должно достигнуть 250-ти.
Иначе говоря Gemesis готовит первый удар по алмазному бизнесу.
Кларк не планировал становиться алмазным королем. Мысль пришла случайно, на протяжении его поездки в Москву в 1995 году. Его тогдашняя компания — Security Tag Systems — была одной из первых, кто привез в Россию метки, мешавшие красть вещи из магазинов.
Так он познакомился с Юрием Семеновым, что руководил одним из научно-технических бюро, по национальной программе занимавшихся продажей армейских разработок советских времен западным инвесторам. Но у Семенова была мысль получше — он внес предложение Генералу выращивать бриллианты. Через пара часов у Кларка на столе лежал проект двухтонного агрегата, что при помощи электричества и гидравлики фокусировал все возрастающие количества тепла и давления в центре сферы.
Генералу сказали, что прибор воссоздает условия, существующие на глубине 150 км под почвой, где и формируются бриллианты. Поместите осколок бриллианта в земную кору, добавьте углерода, и бриллиант станет расти. В первой половине 50-ых годов XX века компания General Electric как раз так и поступила, прессом в 400 тысячь киллограм выдавив душу из углерода.
Устройство General Electric разрешало производить недорогую алмазную пыль для промышленного применения, а в начале 1970-х компания обучилась делать бриллианты весом целых 2 карата. Но для этого требовалось столько электроэнергии и усилий, что получалось дороже, чем приобрести настоящий бриллиант из шахты. Русские утверждали, что их конструкция недорога, потребляет не больше энергии, чем пара ламп накаливания, и будет выдавать по трехкаратному камню раз в пара дней.
И что Генерал сможет взять такую машину всего за $57 тыс.
Три месяца спустя, зимний период, Кларк возвратился в Москву. Его встретили телохранители и отвезли на склад под Москвой. В холодном, неотапливаемом помещении он замечал, как Николай Полушин — один из сибирских ученых, придумавших устройство — поднял верхнюю половинку сферы, дотянулся маленькой керамический куб, ударил по нему молотком и передал Кларку маленькой бриллиант. Все радовались.
В итоге Генерал заказал три автомобили и попросил Семенова послать их во Флориду.
Русские автомобили
Но существовали и две неприятности. Во-первых, никто в Соединенных Штатах не умел трудиться с этими автомобилями. Эту проблему Кларк решил, переселив команду русских во Флориду. Во-вторых, русские и сами-то не через чур прекрасно овладели процессом.
Работу автомобили до тех пор пока не было возможности назвать надежной. Генералу и его новой компании Gemesis безотлагательно была нужна помощь. Он обратился к иранцу по имени Реза Аббашайн, специалисту в области кристаллов, что управлял кафедру материаловедения в университете штата Флорида. Аббашайн дал согласие доработать машину. При помощи собственных студентов он выбросил всю русскую автоматику и установил компьютерные совокупности.
Коллектив заменил блок питания и методично отслеживал мельчайшие нюансы работы автомобили. Учитывая, что приходилось в один момент осуществлять контроль более 200 параметров, работа была нелегкой.
К 1999 году упрочнениями Аббашайна у Генерала были весьма отличные камни. И Кларк полетел в Лондон, дабы продемонстрировать их группе потенциальных инвесторов. Вместо того дабы груду алмазов перед ними на стол, он отправился к ювелиру в Хаттон Гарден, алмазный район английской столицы, и попросил, дабы его камни оправили в кольца. Ювелир дал согласие, и Кларк возвратился в собственный отель.
Зазвонил телефон. На проводе была компания De Beers. По словам Кларка, государственного служащего из De Beers Джеймса Эванса Ломби предотвратили о синтетических камнях менее чем через два часа по окончании их прибытия к ювелиру.
Ломби попросил о встрече с Генералом и приехал прямо в отель, где и состоялась их беседа за чаем под звуки пианино и скрипичного дуэта.
Представители компании De Beers отказываются сказать об данной встрече — да и обо всем остальном, касающемся данной истории — но Кларк говорит, что собственные козыри. «В то время, когда я сказал, что планирую открыть фабрику по массовому производству таких камней, государственный служащий побелел. В De Beers знали о существовании разработки, но сохраняли надежду, что она так и останется в Российской Федерации и никто не сможет довести ее до ума. К концу беседы его руки тряслись», — вспоминает Кларк.
Но De Beers не сдавалась. В течение 2000 года картель запустил «Программу защиты камней», цель которой — информировать клиентов алмазов о том, что на рынке показались ненатуральные камни, и начал поставлять собственные проверочные автомобили (модели DiamondSure и DiamondView) в наибольшие в мире ювелирные лаборатории. Раньше такие лаборатории разбирали и сертифицировали цвет, размер и прозрачность камней. Сейчас их просят кроме этого отличать рукодельные камни от ископаемых.
Прибор DiamondSure просвечивает камень и разбирает показатель преломления. В случае если камень думается странным, его контролируют на приборе DiamondView, что выясняет внутреннюю структуру бриллианта. Еще во второй половине 90-ых годов XX века ученые De Beers писали, что идеально было бы иметь несложный прибор, что имел возможность отличать неестественные бриллианты от натуральных.
Но в скором будущем таковой прибор создать не удастся, потому, что синтетические бриллианты — все равно бриллианты, как химически, так и физически.
Синтетика
Летом 2001 года Аббашайн сказал Генералу, что готов, наконец, к массовой выработке алмазов. Оставалось принять одно, последнее ответ. Любая машина имела возможность производить по одному желтому камню весом три карата каждые три дня (бесцветные камни вырабатываются продолжительнее).
Учитывая их уникальность, удельная цена карата желтых алмазов так выше, что позволить себе такие камни смогут лишь весьма богатые люди. К тому же за последние годы цветные бриллианты вошли в моду (в обручальном кольце у Дженнифер Лопез, к примеру, был розовый бриллиант). Кларк сделал вывод, что приведёт к наибольшему шуму, принеся желтые камни на рынок американского «среднего класса». Он планировал конкурировать как по цене (реализовывая собственные камни на 10%-50% дешевле), так и по стилю.
И, при победе на рынке желтых камней, перейти на рынок бесцветных. Но алмазная индустрия нанесла ответный удар. В начале 2002 года De Beers начала поставки улучшенных моделей DiamondSure.
Тем временем лоббисты добились требования Федеральной торговой рабочей группе США, дабы Gemesis маркировала собственные камни как синтетические.
Gemesis сооружает собственный маркетинг на утверждении, что синтетические камни лучше натуральных. Генерал предлагает именовать собственные бриллианты «культивированными». Это намеренная отсылка к бешено популярному (и значительно более полезному, чем натуральный) неестественному жемчугу.
«Если вы предложите даме выбрать между 2-каратным и 1-каратным бриллиантом, что она, по-вашему, выберет при других равных? — вопрошает Генерал. — Принципиально важно ли ей, какие конкретно из них натуральные? Будут ли к ней доходить с вопросами о натуральности камней в ее украшениях?» «Да ни за что!» — отвечает он сам себе. С ним не согласен Джеф Ван Ройен, что воображает Верховный алмазный совет Бельгии: «В случае если люди по-настоящему обожают друг друга, они дарят настоящие камни.
Не может быть знаком вечной любви что-то, созданное несколько дней назад».
Это и имеется официальная линия De Beers. Ван Ройену не нравится аналогия с неестественным жемчугом, скорее уж обращение может идти о синтетических изумрудах, каковые показались в огромных количествах в середине 1970-х. Сначала цена была высокой, но ювелирные лаборатории скоро осознали, что отличить синтетику возможно посредством простого микроскопа.
Цена упала, и сейчас они стоят не более 3% от натуральных.
Новая угроза
Ван Ройен поведал мне и о второй угрозе. Ходят слухи о новой методике выращивания алмазов ювелирного качества. Процесс представляет собой химическое осаждение паров (chemical vapor deposition — CVD) и уже более десятилетия употребляется для покрытия громадных поверхностей микроскопическими кристаллами алмазов.
Эта разработка основана на превращении углерода в плазму, которая после этого осаждается на подложку в виде алмазов. Ранее существовала лишь одна неприятность — никто не имел возможности обучиться выращивать так цельный бриллиант. «По крайней мере, до сих пор было так», — додаёт Ван Ройен. Компания Apollo Diamond, чёрная лошадка из Бостона, по слухам, обучилась.
В случае если это правда — индустрии и правда угрожает провал, поскольку бриллианты, созданные по разработке CVD, возможно выращивать огромными брикетами, а по окончании полировки и резки они будут неотличимы от натуральных камней. «Но таких алмазов никто в Антверпене не видел, так что мы кроме того не знаем, существуют ли они в действительности», — говорит Ван Ройен. Тогда я добываю из кармана коробочку от 35-мм фотопленки и кладу ее на стол. Внутри, на подушечках, лежат два мелких бриллианта. «Поверьте мне, они существуют», — информирую я ученому.
Чёрная лошадка
За три дня до поездки в Бельгию я слетал в Бостон и встретился с Бриантом Линаресом, главой фирмы Apollo Diamond. По окончании 45-ми-нутной беседы в машине он, по всей видимости, сделал вывод, что со мной все в порядке и я не шпион De Beers. Мы вошли в помещение, и я заметил человека, с головы до ног одетого в герметичный костюм, прекрасно узнаваемый благодаря рекламе Intel. «Вам очень рады в компанию Apollo Diamond», — подтолкнул меня Линарес и скоро закрыл дверь.
Он выдал мне герметичный костюм, а также бутсы, очки и шапочку для волос. В комнате были трое в похожей одежде. Они находились около цилиндрического аппарата, похожего на промышленный кофейник, оборудованного засовом на иллюминаторе. Из окна светило сверхъестественным зеленым. Я посмотрел через стекло. В том месте, за мерцающим зеленым облаком, росли четыре бриллианта. «К этому я шел весьма долго», — поведал мне один из людей, находившихся около автомобили. Это Роберт Линарес, папа Брианта.
В 1980-х он был известным исследователем в области сложных полупроводников. Его компания, Spectrum Technology, известна благодаря вводу в производство разработки применения пластин арсенида галлия в качестве полупроводниковой подложки, заменившей кремний и разрешившей мобильным телефонам стать меньше и применять громадную полосу частот. Линарес-старший реализовал собственную компанию корпорации PacifiCorp и в 1985 году провалился сквозь землю из мира полупроводников.
Выясняется, на собственные деньги он выстроил тайную лабораторию для изучения алмазов. «Я осознавал, что непременно бриллианты станут идеальными полупроводниками, хоть никто в это и не верил. По окончании продажи компании я имел возможность делать что желал, и я израсходовал 15 лет на личные изучения», — поведал Линарес.
Дабы вырастить монокристалл бриллианта способом CVD, сперва необходимо предугадать правильное сочетание температуры, плотности газа и давления, «ту самую точку», в которой начинается создание единого кристалла. В другом случае на вас прольется ливень из несчетного количества небольших алмазов. Отыскать «ту самую точку» приблизительно так же непросто, как отыскать конкретную песчинку на берегу. Из миллионов комбинаций подходит лишь одна.
И во второй половине 90-ых годов XX века Линарес ее отыскал. А в июне 2003 года он, наконец, взял патент на собственный процесс и уже производит безукоризненные бриллианты, планируя скоро начать продажу камней на ювелирном рынке. Но это — лишь первый ход.
На деньги от продажи камней Роберт и Бриант Линаресы рассчитывают заняться разработкой алмазных полупроводников. Неудивительно, что алмазная индустрия не в восхищении от их замыслов, в чем убедился Линарес-младший пять лет назад, посетив конференцию в Праге. На протяжении перерыва к Линаресу подошел человек и дал совет быть осмотрительнее. «Он заявил, что изучения моего отца — верный путь взять пулю в голову», — вспоминает Линарес.
Пять долларов за карат
Алмазная индустрия, вообще-то, значительно больше опасается камней, созданных по разработке CVD, чем камней от Gemesis, хоть последняя и воображает угрозу. По идее, способ CVD даст очень чистый кристалл. Бриллианты от Gemesis растут в железном расплаве, и маленькие частички металлов попадают в решетку бриллианта при его росте.
Бриллианты CVD, наоборот, осаждаются, образуя практически стопроцентно чистый кристалл, и исходя из этого неотличимы от натуральных. Но солиднейший потенциал разработки CVD лежит в применении их в компьютерах. В случае если бриллиант станет применим в полупроводниках, потребуется способ недорогого выращивания камней в громадных пластинах. (Кремниевые пластины, каковые применяет Intel, к примеру, имеют диаметр около 30 см).
А размер CVD ограничен лишь размером зерна, которое заложат в машину. Процесс начинается с квадратной пластины. Камень растет в форме призмы, где верхняя часть легко шире основания. За годы, прошедшие с момента обнаружения «той самой точки», компания Apollo обучалась выращивать бриллианты все большего размера, отрезая вершину от одного и применяя ее как базу для другого бриллианта. На сегодня компания способна производить 10-мм пластины, но за 5 лет собирается достичь 10 см.
Карат стоит около $5.
Но возвратимся в Верховный алмазный совет. Я вытряхиваю камни от Apollo на стол. Ван Ройен неуверенно поднимает один из них долгим пинцетом и кладет под микроскоп. «Поразительно! Возможно разглядеть?» — задаёт вопросы он.
Я соглашаюсь покинуть ему камни на ночь. Утром Ван Ройен выглядит утомившимся. Он признает, что практически всю ночь изучал камни. «Пологаю, что отличить их все же смогу: они через чур совершенны для натуральных алмазов. В природе все имеет недостатки.
А у этого камня их нет», — резюмирует ученый. И додаёт на прощание: «В ваших руках что-то, чего нет больше ни у кого в Антверпене. В случае если желаете осознать, как в действительности ответственны эти камни, поговорите с Джимом Батлером из ВМФ США».
Алмазный Pentium
Джим Батлер управляет группу при ВМФ, которая занимается изучением алмазов. Батлер изучал процесс CVD в течении 16 лет и повидал много разочарований за данный срок. Но сейчас он — оптимист. Существовали три неприятности на пути к алмазному процессору. И похоже, все три готовы пасть.
Во-первых, бриллианты считаются бешено дорогими из-за политики De Beers, которая не отпускает цены на рынке. Синтетические бриллианты решат эту проблему. Во-вторых, не было надежного источника громадных и чистых камней. На ископаемые бриллианты рассчитывать запрещено, поскольку нереально обеспечить однообразные электрические характеристики камней.
Бриллианты от Apollo решают и эту задачу. В-третьих, была неприятность, над которой разламывали головы материаловеды всей земли. Дабы сделать микросхему, необходимы полупроводники p- и n-типа. Бриллиант — естественный изолятор, он не проводит электрический ток. Gemesis и Apollo смогли ввести в кристаллическую решетку бриллианта бор, что формирует необходимый тип проводимости p-типа. Но до сих пор никто не смог создать в бриллианте проводимость n-типа.
При встрече со мной в Вашингтоне Батлер чуть имел возможность сдержать ликование. Он сказал мне, что совершен прорыв — в июне 2003 года, совместно с учеными из Израиля и Франции, Батлер заявил о том, что отыскан метод инвертировать природную проводимость бора и создавать легированные бором бриллианты n-типа. «Так, мы взяли p-n-пару. Иначе говоря трудящийся полупроводник.
На горизонте уже алмазный Pentium!» — радуется Батлер.
Но ученого огорчают настроения в компьютерной индустрии США. Если не поторопиться, считает он, европейцы и японцы вырвутся вперед. И вправду, в беседах с главными шишками компании Intel стало известно, что они кроме того не знали о последних достижениях в области алмазных полупроводников.
Кришнамурти Сумианат, один из боссов компании Intel, говорит, что освоение нового материала занимает около 10 лет, а в кремний положено столько, что отказываться от него компания пока не намерена.
Но в один прекрасный день выхода у изготовителей микросхем не останется. Бернард Вунеш, доктор наук материаловедения в Массачусетсском технологическом университете, прямо говорит: «В случае если закон Мура не падет, микросхемы будут становиться все горячее и горячее. И кремний в какой-то момент .
Бриллиант — вот решение проблемы».
Статья в первый раз размещена в издании © Wired
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№20, июнь 2004).
<
h4>