Муассанит ( / ˈ m ɔɪ s ə ˌ n aɪ t / ) [5] — это природный карбид кремния и его различные кристаллические полиморфы . Он имеет химическую формулу SiC и является редким минералом , открытым французским химиком Анри Муассаном в 1893 году. Карбид кремния или муассанит полезен для коммерческих и промышленных применений благодаря своей твердости , оптическим свойствам и теплопроводности .
Минерал муассанит был открыт Анри Муассаном при изучении образцов горных пород из метеоритного кратера, расположенного в Каньоне Дьябло , Аризона , в 1893 году. Сначала он ошибочно идентифицировал кристаллы как алмазы , но в 1904 году он идентифицировал кристаллы как карбид кремния. [6] [7] Искусственный карбид кремния был синтезирован в лаборатории Эдвардом Г. Ачесоном в 1891 году, всего за два года до открытия Муассана. [8]
Позднее в честь Муассана была названа минеральная форма карбида кремния.
В своей естественной форме муассанит остается очень редким. До 1950-х годов не было обнаружено никаких других источников муассанита, кроме как досолнечных зерен в углеродистых хондритовых метеоритах [9] . Затем, в 1958 году, муассанит был обнаружен в верхней мантии формации Грин-Ривер в Вайоминге , а в следующем году — в виде включений в ультраосновной породе кимберлита из алмазного рудника в Якутии на Дальнем Востоке России. [10] Однако существование муассанита в природе было поставлено под сомнение еще в 1986 году американским геологом Чарльзом Милтоном. [11]
Открытия показывают, что он встречается в природе в виде включений в алмазах, ксенолитах и других ультраосновных породах, таких как лампроит . [12]
Анализ зерен карбида кремния, найденных в метеорите Мурчисон, выявил аномальные изотопные соотношения углерода и кремния, что указывает на внеземное происхождение из-за пределов Солнечной системы . [13] 99% этих зерен карбида кремния возникают вокруг богатых углеродом асимптотических звезд гигантской ветви . Карбид кремния обычно встречается вокруг этих звезд, как следует из их инфракрасных спектров . [14] Открытие карбида кремния в метеорите Каньон Дьябло и других местах было отложено на долгое время, поскольку загрязнение карборундом (SiC) произошло из-за абразивных инструментов, изготовленных человеком . [12]
Кристаллическая структура удерживается прочными ковалентными связями , подобными алмазам, [6] , что позволяет муассаниту выдерживать высокое давление до 52,1 гигапаскаля . [6] [15] Цвета сильно различаются и оцениваются от D до K по шкале оценки цвета алмаза . [16]
Во всех современных применениях карбида кремния используются синтетические материалы , поскольку природный материал очень редок.
Идея о том, что связь кремния и углерода может фактически существовать в природе, была впервые предложена шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом еще в 1824 году (Berzelius 1824). [17] В 1891 году Эдвард Гудрич Ачесон создал жизнеспособные минералы, которые могли бы заменить алмаз в качестве абразивного и режущего материала. [18] Это было возможно, поскольку муассанит является одним из самых твердых известных веществ, с твердостью чуть ниже, чем у алмаза , и сравнимой с твердостью кубического нитрида бора и бора . Чистый синтетический муассанит также может быть получен путем термического разложения прекерамического полимера поли(метилсилина) , не требуя связующей матрицы, например, порошка металлического кобальта.
Монокристаллический карбид кремния в определенных формах использовался для изготовления высокопроизводительных полупроводниковых приборов. Поскольку природные источники карбида кремния редки, и только определенные атомные конфигурации полезны для геммологических приложений, базирующаяся в Северной Каролине компания Cree Research, Inc. , основанная в 1987 году, разработала коммерческий процесс производства крупных монокристаллов карбида кремния. Cree является мировым лидером в выращивании монокристаллического карбида кремния, в основном для использования в электронике. [19]
В 1995 году компания C3 Inc., возглавляемая Чарльзом Эриком Хантером, основала Charles & Colvard для продажи муассанита ювелирного качества. Charles & Colvard была первой компанией, которая производила и продавала синтетический муассанит по патенту США US5723391 A, впервые поданному C3 Inc. в Северной Каролине. [20]
Муассанит был представлен на рынке ювелирных изделий в качестве альтернативы бриллиантам в 1998 году после того, как Charles & Colvard (ранее известная как C3 Inc.) получила патенты на создание и продажу выращенных в лаборатории драгоценных камней из карбида кремния, став первой фирмой, сделавшей это. К 2018 году все патенты на оригинальный процесс во всем мире истекли. [21] [22] [23] В настоящее время Charles & Colvard производит и распространяет ювелирные изделия из муассанита и отдельные драгоценные камни под торговыми марками Forever One , Forever Brilliant и Forever Classic . [24] Другие производители продают драгоценные камни из карбида кремния под торговыми марками, такими как Amora .
По шкале твердости минералов Мооса (с алмазом в качестве верхнего предела, 10) муассанит оценивается как 9,25. [4] Как альтернатива алмазу муассанит имеет некоторые оптические свойства, превосходящие свойства алмаза. Он продается как более дешевая альтернатива алмазу, которая не включает дорогостоящие методы добычи, используемые для извлечения природных алмазов. Поскольку некоторые из его свойств весьма похожи на алмаз, муассанит может использоваться в качестве поддельного алмаза. Тестовое оборудование, основанное на измерении теплопроводности , в частности, может давать результаты, похожие на алмаз. В отличие от алмаза, муассанит проявляет термохромизм , так что постепенное нагревание приведет к временному изменению его цвета, начиная примерно с 65 °C (150 °F). Более практичным тестом является измерение электропроводности , которое покажет более высокие значения для муассанита. Муассанит является двупреломляющим (т. е. свет, пропущенный через материал, разделяется на отдельные лучи, которые зависят от поляризации источника), что можно легко увидеть, а алмаз — нет. [25]
Благодаря своей твердости он может использоваться в экспериментах с высоким давлением в качестве замены алмазу (см. ячейка с алмазной наковальней ). [6] Поскольку крупные алмазы обычно слишком дороги для использования в качестве наковален, муассанит чаще используется в экспериментах с большими объемами. Синтетический муассанит также интересен для электронных и тепловых применений, поскольку его теплопроводность аналогична теплопроводности алмазов. [15] Ожидается, что высокомощные электронные устройства из карбида кремния найдут применение в разработке защитных схем, используемых для двигателей, приводов и систем накопления энергии или импульсных источников питания. [26] Он также проявляет термолюминесценцию , [27] что делает его полезным в дозиметрии радиации . [28]
Медиа, связанные с муассанитом на Wikimedia Commons