Алмаз — это твердая форма элемента углерода, атомы которого расположены в кристаллической структуре, называемой кубическим алмазом . Алмаз как форма углерода — это безвкусное, не имеющее запаха, прочное, хрупкое твердое вещество, бесцветное в чистом виде, плохо проводящее электричество и нерастворимое в воде. Другая твердая форма углерода, известная как графит, является химически стабильной формой углерода при комнатной температуре и давлении , но алмаз является метастабильным и превращается в него с незначительной скоростью при этих условиях. Алмаз обладает самой высокой твердостью и теплопроводностью среди всех природных материалов, эти свойства используются в основных промышленных приложениях, таких как режущие и полировальные инструменты. Они также являются причиной того, что ячейки алмазной наковальни могут подвергать материалы давлению, обнаруженному глубоко в Земле.
Поскольку расположение атомов в алмазе чрезвычайно жесткое, лишь немногие типы примесей могут загрязнять его (два исключения — бор и азот ). Небольшое количество дефектов или примесей (примерно один на миллион атомов решетки) может окрасить алмаз в синий (бор), желтый (азот), коричневый (дефекты), зеленый (облучение), фиолетовый, розовый, оранжевый или красный цвет. Алмаз также имеет очень высокий показатель преломления и относительно высокую оптическую дисперсию .
Большинство природных алмазов имеют возраст от 1 до 3,5 миллиардов лет. Большинство из них образовалось на глубине от 150 до 250 километров (от 93 до 155 миль) в мантии Земли , хотя некоторые из них были добыты на глубине до 800 километров (500 миль). Под высоким давлением и температурой содержащие углерод жидкости растворяли различные минералы и заменяли их алмазами. Гораздо позже (сотни-десятки миллионов лет назад) они были вынесены на поверхность в результате вулканических извержений и отложились в магматических породах, известных как кимберлиты и лампроиты .
Синтетические алмазы можно выращивать из углерода высокой чистоты при высоких давлениях и температурах или из углеводородных газов методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Имитационные алмазы также можно изготавливать из таких материалов, как кубический цирконий и карбид кремния . Натуральные, синтетические и имитационные алмазы чаще всего различают с помощью оптических методов или измерений теплопроводности.
Алмаз — это твердая форма чистого углерода, атомы которого расположены в кристалле. Твердый углерод существует в разных формах, известных как аллотропы, в зависимости от типа химической связи. Две наиболее распространенные аллотропы чистого углерода — это алмаз и графит . В графите связи представляют собой гибридные орбитали sp 2 , а атомы образуют плоскости, каждая из которых связана с тремя ближайшими соседями, находящимися на расстоянии 120 градусов друг от друга. В алмазе они являются sp 3 , а атомы образуют тетраэдры, каждый из которых связан с четырьмя ближайшими соседями. [4] [5] Тетраэдры жесткие, связи прочные, и из всех известных веществ алмаз имеет наибольшее количество атомов на единицу объема, поэтому он является как самым твердым, так и наименее сжимаемым . [6] [7] Он также имеет высокую плотность, варьирующуюся от 3150 до 3530 килограммов на кубический метр (более чем в три раза больше плотности воды) в природных алмазах и 3520 кг/м 3 в чистом алмазе. [2] В графите связи между ближайшими соседями еще сильнее, но связи между параллельными соседними плоскостями слабее, поэтому плоскости легко проскальзывают мимо друг друга. Таким образом, графит намного мягче алмаза. Однако более сильные связи делают графит менее горючим. [8]
Алмазы нашли широкое применение благодаря исключительным физическим характеристикам материала. Он обладает самой высокой теплопроводностью и самой высокой скоростью звука. Он имеет низкую адгезию и трение, а его коэффициент теплового расширения чрезвычайно низок. Его оптическая прозрачность простирается от дальнего инфракрасного до глубокого ультрафиолетового диапазона , и он имеет высокую оптическую дисперсию . Он также имеет высокое электрическое сопротивление. Он химически инертен, не реагирует с большинством едких веществ и имеет превосходную биологическую совместимость. [9]
Условия равновесного давления и температуры для перехода между графитом и алмазом хорошо установлены теоретически и экспериментально. Равновесное давление изменяется линейно с температурой, между1,7 ГПа при0 К и12 ГПа при5000 К ( тройная точка алмаз/графит/жидкость ). [10] [11] Однако фазы имеют широкую область около этой линии, где они могут сосуществовать. При стандартной температуре и давлении , 20 °C (293 К) и 1 стандартной атмосфере (0,10 МПа), стабильной фазой углерода является графит, но алмаз является метастабильным , и скорость его превращения в графит незначительна. [7] Однако при температурах выше примерно4500 К , алмаз быстро превращается в графит. Быстрое превращение графита в алмаз требует давления, значительно превышающего линию равновесия: при2000 К , давлениеНеобходимо 35 ГПа . [10]
Выше тройной точки графит-алмаз-жидкий углерод температура плавления алмаза медленно увеличивается с ростом давления; но при давлениях в сотни ГПа она уменьшается. [12] При высоких давлениях кремний и германий имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру BC8, и аналогичная структура предсказывается для углерода при высоких давлениях. При0 K , переход, как предсказывают, произойдет при1100 ГПа . [13]
Результаты, опубликованные в статье в научном журнале Nature Physics в 2010 году, показывают, что при сверхвысоких давлениях и температурах (около 10 миллионов атмосфер или 1 ТПа и 50 000 °C) алмаз плавится в металлическую жидкость. Экстремальные условия, необходимые для этого, присутствуют в ледяных гигантах Нептуне и Уране . Обе планеты состоят примерно на 10 процентов из углерода и гипотетически могут содержать океаны жидкого углерода. Поскольку большие количества металлической жидкости могут влиять на магнитное поле, это может служить объяснением того, почему географические и магнитные полюса двух планет не совпадают. [14] [15]
Наиболее распространенная кристаллическая структура алмаза называется кубическим алмазом . Она образована элементарными ячейками (см. рисунок), сложенными вместе. Хотя на рисунке изображено 18 атомов, каждый угловой атом делится на восемь элементарных ячеек, а каждый атом в центре грани делится на два, так что в общей сложности на элементарную ячейку приходится восемь атомов. [16] Длина каждой стороны элементарной ячейки обозначается как a и составляет 3,567 ангстрем . [17]
Расстояние до ближайшего соседа в решетке алмаза составляет 1,732 a /4, где a — постоянная решетки, обычно выражаемая в ангстремах как a = 3,567 Å, что составляет 0,3567 нм.
Кубическую решетку алмаза можно рассматривать как две взаимопроникающие гранецентрированные кубические решетки, одна из которых смещена на 1 ⁄ 4 диагонали вдоль кубической ячейки, или как одну решетку с двумя атомами, связанными с каждой точкой решетки. [17] Если смотреть с кристаллографического направления <1 1 1> , она образована слоями, сложенными в повторяющемся узоре ABCABC .... Алмазы также могут образовывать структуру ABAB ..., которая известна как гексагональный алмаз или лонсдейлит , но это встречается гораздо реже и образуется при других условиях из кубического углерода. [18]
Алмазы чаще всего встречаются в виде эвэдральных или округлых октаэдров и сдвоенных октаэдров, известных как маклы . Поскольку кристаллическая структура алмаза имеет кубическое расположение атомов, у них есть много граней , которые принадлежат кубу , октаэдру, ромбоикосододекаэдру , тетракисгексаэдру или дисдьякисдодекаэдру . Кристаллы могут иметь округлые и невыразительные края и могут быть удлиненными. Алмазы (особенно с округлыми кристаллическими гранями) обычно встречаются покрытыми nyf , непрозрачной камедьюподобной оболочкой. [19]
Некоторые алмазы содержат непрозрачные волокна. Их называют непрозрачными , если волокна растут из прозрачного субстрата, или волокнистыми , если они занимают весь кристалл. Их цвета варьируются от желтого до зеленого или серого, иногда с облачными белыми или серыми примесями. Их наиболее распространенная форма — кубоидальная, но они также могут образовывать октаэдры, додекаэдры, маклы или комбинированные формы. Структура является результатом многочисленных примесей размером от 1 до 5 микрон. Эти алмазы, вероятно, образовались в кимберлитовой магме и отбирали летучие вещества. [20]
Алмазы также могут образовывать поликристаллические агрегаты. Были попытки классифицировать их по группам с такими названиями, как boart , ballas , stewartite и framesite, но не существует общепринятого набора критериев. [20] Carbonado, тип, в котором алмазные зерна были спечены (сплавлены без плавления путем применения тепла и давления), имеет черный цвет и более прочный, чем монокристаллический алмаз. [21] Он никогда не наблюдался в вулканической породе. Существует много теорий его происхождения, включая образование в звезде, но единого мнения нет. [20] [22] [23]
Алмаз является самым твердым материалом по качественной шкале Мооса . Для проведения количественного испытания на твердость по Виккерсу образцы материалов ударяются пирамидой стандартизированных размеров с известной силой – в качестве пирамиды используется кристалл алмаза, чтобы можно было испытывать широкий спектр материалов. По размеру полученного отпечатка можно определить значение твердости по Виккерсу для материала. Большая твердость алмаза по сравнению с другими материалами известна с древних времен и является источником его названия. Это не означает, что он бесконечно тверд, неразрушим или не царапается. [24] Действительно, алмазы могут быть поцарапаны другими алмазами [25] и со временем изношены даже более мягкими материалами, такими как виниловые пластинки . [26]
Твердость алмаза зависит от его чистоты, кристаллического совершенства и ориентации: твердость выше для безупречных, чистых кристаллов, ориентированных в направлении <111> (вдоль самой длинной диагонали кубической решетки алмаза). [27] Поэтому, хотя некоторые алмазы можно поцарапать другими материалами, такими как нитрид бора , самые твердые алмазы можно поцарапать только другими алмазами и нанокристаллическими алмазными агрегатами .
Твердость алмаза способствует его пригодности в качестве драгоценного камня. Поскольку его можно поцарапать только другими алмазами, он сохраняет свою полировку исключительно хорошо. В отличие от многих других драгоценных камней, он хорошо подходит для ежедневного ношения из-за своей устойчивости к царапинам — возможно, это способствует его популярности как предпочтительного камня в помолвочных или обручальных кольцах , которые часто носят каждый день.
Самые твердые природные алмазы в основном происходят из месторождений Копетон и Бингара , расположенных в районе Новой Англии в Новом Южном Уэльсе , Австралия. Эти алмазы, как правило, небольшие, идеальные или полуидеальные октаэдры, и используются для полировки других алмазов. Их твердость связана с формой роста кристаллов , которая является одностадийным ростом кристаллов. Большинство других алмазов демонстрируют больше свидетельств множественных стадий роста, которые производят включения, изъяны и дефектные плоскости в кристаллической решетке, все из которых влияют на их твердость. Можно обрабатывать обычные алмазы под воздействием комбинации высокого давления и высокой температуры, чтобы получить алмазы, которые тверже, чем алмазы, используемые в измерителях твердости. [28]
Алмазы режут стекло, но это не является положительным определением алмаза, потому что другие материалы, такие как кварц, также лежат выше стекла по шкале Мооса и также могут его резать. Алмазы могут царапать другие алмазы, но это может привести к повреждению одного или обоих камней. Тесты на твердость редко используются в практической геммологии из-за их потенциально разрушительной природы. [29] Чрезвычайная твердость и высокая ценность алмаза означают, что драгоценные камни обычно полируются медленно, с использованием кропотливых традиционных методов и большего внимания к деталям, чем в случае с большинством других драгоценных камней; [30] это, как правило, приводит к чрезвычайно плоским, тщательно отполированным граням с исключительно острыми краями граней. Алмазы также обладают чрезвычайно высоким показателем преломления и довольно высокой дисперсией. В совокупности эти факторы влияют на общий вид полированного алмаза, и большинство диамантеров по-прежнему полагаются на умелое использование лупы (увеличительного стекла), чтобы идентифицировать алмазы «на глаз». [31]
Несколько связано с твердостью еще одно механическое свойство — прочность , то есть способность материала противостоять разрушению от сильного удара. Прочность природного алмаза была измерена как 50–65 МПа · м 1/2 . [ противоречиво ] [32] [33] Это значение хорошее по сравнению с другими керамическими материалами, но плохое по сравнению с большинством конструкционных материалов, таких как конструкционные сплавы, которые обычно демонстрируют прочность более 80 МПа · м 1/2 . Как и в случае с любым материалом, макроскопическая геометрия алмаза способствует его устойчивости к разрушению. Алмаз имеет плоскость спайности и поэтому более хрупкий в некоторых ориентациях, чем в других. Огранщики алмазов используют это свойство для раскалывания некоторых камней перед их огранкой. [34] «Ударная прочность» является одним из основных показателей для измерения качества синтетических промышленных алмазов.
Предел текучести при сжатии алмаза составляет 130–140 ГПа. [35] Это исключительно высокое значение, наряду с твердостью и прозрачностью алмаза, являются причинами того, что ячейки с алмазными наковальнями являются основным инструментом для экспериментов под высоким давлением. [36] Эти наковальни достигли давления600 ГПа . [37] Гораздо более высокие давления могут быть возможны с нанокристаллическими алмазами. [36] [37]
Обычно попытка деформировать объемный кристалл алмаза путем растяжения или изгиба приводит к хрупкому разрушению. Однако, когда монокристаллический алмаз находится в форме микро/наномасштабных проволок или игл (~100–300 нанометров в диаметре, микрометры в длину), они могут быть упруго растянуты на 9–10 процентов без разрушения, [38] с максимальным локальным растягивающим напряжением около 89–98 ГПа , [39] очень близко к теоретическому пределу для этого материала. [40]
Существуют и другие специализированные применения, в том числе использование в качестве полупроводников : некоторые голубые алмазы являются естественными полупроводниками, в отличие от большинства алмазов, которые являются превосходными электроизоляторами . Проводимость и синий цвет обусловлены примесью бора. Бор заменяет атомы углерода в решетке алмаза, отдавая дырку в валентную зону . [41]
Значительная проводимость обычно наблюдается в номинально нелегированном алмазе, выращенном методом химического осаждения из паровой фазы . Эта проводимость связана с водородо -связанными видами, адсорбированными на поверхности, и ее можно удалить путем отжига или других видов обработки поверхности. [42] [43]
Тонкие иглы алмаза можно заставить изменять ширину запрещенной зоны электронов от обычных 5,6 эВ до почти нуля путем избирательной механической деформации. [44]
Высокочистые алмазные пластины диаметром 5 см демонстрируют идеальное сопротивление в одном направлении и идеальную проводимость в другом, что создает возможность их использования для квантового хранения данных. Материал содержит всего 3 части на миллион азота. Алмаз выращивался на ступенчатой подложке, что исключало растрескивание. [45]
Алмазы по своей природе липофильны и гидрофобны , что означает, что поверхность алмазов не может быть смочена водой, но может быть легко смочена и застряла в масле. Это свойство может быть использовано для извлечения алмазов с использованием масла при изготовлении синтетических алмазов. Однако, когда поверхности алмазов химически модифицированы определенными ионами, ожидается, что они станут настолько гидрофильными , что смогут стабилизировать несколько слоев водяного льда при температуре человеческого тела . [46]
Поверхность алмазов частично окислена. Окисленная поверхность может быть восстановлена путем термической обработки в потоке водорода. То есть, эта термическая обработка частично удаляет кислородсодержащие функциональные группы. Но алмазы (sp 3 C) нестабильны против высокой температуры (выше примерно 400 °C (752 °F)) при атмосферном давлении. Структура постепенно меняется на sp 2 C выше этой температуры. Таким образом, алмазы должны быть восстановлены ниже этой температуры. [47]
При комнатной температуре алмазы не вступают в реакцию ни с какими химическими реагентами, включая сильные кислоты и основания.
В атмосфере чистого кислорода алмаз имеет точку воспламенения от 690 °C (1274 °F) до 840 °C (1540 °F); более мелкие кристаллы, как правило, горят легче. Он повышает температуру от красного до белого каления и горит бледно-голубым пламенем, и продолжает гореть после того, как источник тепла удален. Напротив, на воздухе горение прекратится, как только тепло будет удалено, потому что кислород разбавлен азотом. Чистый, безупречный, прозрачный алмаз полностью превращается в углекислый газ; любые примеси останутся в виде пепла. [48] Тепло, выделяемое при огранке алмаза, не воспламенит алмаз, [49] как и зажигалка, [50] но домашние огни и паяльные лампы достаточно горячие. Ювелиры должны быть осторожны при формовке металла в бриллиантовом кольце. [51]
Алмазный порошок соответствующего размера зерна (около 50 микрон) сгорает с дождем искр после воспламенения от пламени. Следовательно, можно приготовить пиротехнические составы на основе синтетического алмазного порошка. Получающиеся искры имеют обычный красно-оранжевый цвет, сравнимый с древесным углем, но показывают очень линейную траекторию, что объясняется их высокой плотностью. [52] Алмаз также реагирует с газообразным фтором при температуре выше примерно 700 °C (1292 °F).
Алмаз имеет широкую запрещенную зону5,5 эВ, что соответствует длине волны глубокого ультрафиолета 225 нанометров. Это означает, что чистый алмаз должен пропускать видимый свет и выглядеть как чистый бесцветный кристалл. Цвета в алмазе возникают из-за дефектов решетки и примесей. Кристаллическая решетка алмаза исключительно прочна, и только атомы азота , бора и водорода могут быть введены в алмаз во время роста в значительных концентрациях (до атомных процентов). Переходные металлы никель и кобальт , которые обычно используются для выращивания синтетических алмазов методами высокого давления и высокой температуры, были обнаружены в алмазе в виде отдельных атомов; максимальная концентрация составляет 0,01% для никеля [53] и еще меньше для кобальта. Практически любой элемент может быть введен в алмаз путем ионной имплантации. [54]
Азот, безусловно, является наиболее распространенной примесью, встречающейся в драгоценных алмазах, и отвечает за желтый и коричневый цвет алмазов. Бор отвечает за синий цвет. [55] Цвет в алмазе имеет два дополнительных источника: облучение (обычно альфа-частицами), которое вызывает цвет зеленых алмазов, и пластическая деформация кристаллической решетки алмаза. Пластическая деформация является причиной цвета некоторых коричневых [56] и, возможно, розовых и красных алмазов. [57] В порядке возрастания редкости за желтым алмазом следуют коричневый, бесцветный, затем синий, зеленый, черный, розовый, оранжевый, фиолетовый и красный. [34] «Черные», или карбонадо , алмазы на самом деле не черные, а содержат многочисленные темные включения, которые придают драгоценным камням темный вид. Цветные алмазы содержат примеси или структурные дефекты, которые вызывают окраску, в то время как чистые или почти чистые алмазы прозрачны и бесцветны. Большинство примесей в алмазах заменяют атом углерода в кристаллической решетке , что известно как углеродный дефект . Наиболее распространенная примесь, азот, вызывает от легкой до интенсивной желтой окраски в зависимости от типа и концентрации присутствующего азота. [34] Геммологический институт Америки (GIA) классифицирует желтые и коричневые алмазы с низкой насыщенностью как алмазы в нормальном цветовом диапазоне и применяет шкалу оценок от «D» (бесцветный) до «Z» (светло-желтый). Желтые алмазы с высокой насыщенностью цвета или другого цвета, например, розового или голубого, называются фантазийными цветными алмазами и попадают под другую шкалу оценок. [34]
В 2008 году бриллиант Виттельсбаха , 35,56-каратный (7,112 г) голубой бриллиант , когда-то принадлежавший королю Испании, был продан на аукционе Christie's за более чем 24 миллиона долларов США. [58] В мае 2009 года голубой бриллиант весом 7,03 карата (1,406 г) принес самую высокую цену за карат, когда-либо уплаченную за бриллиант, когда он был продан на аукционе за 10,5 миллионов швейцарских франков (6,97 миллионов евро или 9,5 миллионов долларов США на тот момент). [59] Этот рекорд, однако, был побит в том же году: 5-каратный (1,0 г) ярко-розовый бриллиант был продан за 10,8 миллионов долларов США в Гонконге 1 декабря 2009 года. [60]
Чистота — один из 4C (цвет, чистота, огранка и вес в каратах), который помогает определить качество бриллиантов. Геммологический институт Америки (GIA) разработал 11 шкал чистоты, чтобы определить качество бриллианта для его продажной стоимости. Шкала чистоты GIA охватывает диапазон от безупречного (FL) до включенного (I), имеющего внутренне безупречный (IF), очень, очень слабо включенный (VVS), очень слабо включенный (VS) и слабо включенный (SI) между ними. Примеси в природных бриллиантах обусловлены наличием природных минералов и оксидов. Шкала чистоты оценивает бриллиант на основе цвета, размера, расположения примеси и количества чистоты, видимой при 10-кратном увеличении. [61] Включения в бриллианте можно извлечь оптическими методами. Процесс заключается в получении изображений до улучшения, идентификации части удаления включения и, наконец, удалении граней и шумов бриллианта. [62]
От 25% до 35% природных алмазов демонстрируют некоторую степень флуоресценции при исследовании под невидимым длинноволновым ультрафиолетовым светом или источниками излучения с более высокой энергией, такими как рентгеновские лучи и лазеры. [63] Освещение лампами накаливания не вызовет флуоресценцию алмаза. Алмазы могут флуоресцировать различными цветами, включая синий (наиболее распространенный), оранжевый, желтый, белый, зеленый и очень редко красный и фиолетовый. Хотя причины этого не совсем понятны, считается, что изменения в атомной структуре, такие как количество присутствующих атомов азота, способствуют этому явлению.
Алмазы можно отличить по их высокой теплопроводности (900–2320 Вт·м −1 ·К −1 ). [64] Их высокий показатель преломления также является показательным, но другие материалы имеют схожую преломляемость.
Алмазы чрезвычайно редки, с концентрацией не более частей на миллиард в исходной породе. [20] До 20-го века большинство алмазов находили в аллювиальных отложениях . Свободные алмазы также находят вдоль существующих и древних береговых линий , где они имеют тенденцию накапливаться из-за своего размера и плотности. [65] : 149 Редко они были найдены в ледниковой тилле (особенно в Висконсине и Индиане ), но эти отложения не имеют коммерческого качества. [65] : 19 Эти типы отложений были получены из локализованных магматических интрузий посредством выветривания и переноса ветром или водой . [66]
Большинство алмазов поступают из мантии Земли , и большая часть этого раздела посвящена обсуждению этих алмазов. Однако есть и другие источники. Некоторые блоки коры, или террейны , были захоронены достаточно глубоко, поскольку кора утолщалась, поэтому они испытали метаморфизм сверхвысокого давления . Они имеют равномерно распределенные микроалмазы , которые не показывают никаких признаков переноса магмой. Кроме того, когда метеориты ударяются о землю, ударная волна может создавать достаточно высокие температуры и давления для образования микроалмазов и наноалмазов . [66] Микроалмазы ударного типа можно использовать в качестве индикатора древних ударных кратеров. [67] Ударная структура Попигай в России может иметь крупнейшее в мире месторождение алмазов, оцениваемое в триллионы карат и образованное ударом астероида. [68]
Распространенное заблуждение заключается в том, что алмазы образуются из сильно сжатого угля . Уголь образуется из захороненных доисторических растений, и большинство датированных алмазов намного старше первых наземных растений . Возможно, что алмазы могут образовываться из угля в зонах субдукции , но алмазы, образованные таким образом, редки, а источником углерода, скорее всего, являются карбонатные породы и органический углерод в отложениях, а не уголь. [69] [70]
Алмазы распределены по Земле далеко не равномерно. Правило, известное как правило Клиффорда, гласит, что они почти всегда встречаются в кимберлитах в самой старой части кратонов , стабильных ядрах континентов с типичным возрастом 2,5 миллиарда лет или более. [66] [71] : 314 Однако есть исключения. Алмазный рудник Аргайл в Австралии , крупнейший производитель алмазов по весу в мире, расположен в подвижном поясе , также известном как орогенный пояс , [72] более слабой зоне, окружающей центральный кратон, который подвергся компрессионной тектонике. Вместо кимберлита вмещающей породой является лампроит . Лампроиты с алмазами, которые не являются экономически выгодными, также встречаются в Соединенных Штатах, Индии и Австралии. [66] Кроме того, алмазы в поясе Вава провинции Сьюпириор в Канаде и микроалмазы в островной дуге Японии встречаются в типе породы, называемом лампрофир . [66]
Кимберлиты можно найти в узких (от 1 до 4 метров) дайках и силлах, а также в трубках с диаметром от 75 м до 1,5 км. Свежая порода имеет темно-синевато-зеленый или зеленовато-серый цвет, но после воздействия быстро становится коричневой и крошится. [73] Это гибридная порода с хаотичной смесью мелких минералов и обломков пород ( кластов ) размером до арбузов. Они представляют собой смесь ксенокристаллов и ксенолитов (минералов и пород, поднятых из нижней коры и мантии), кусков поверхностной породы, измененных минералов, таких как серпентин , и новых минералов, которые кристаллизовались во время извержения. Текстура меняется с глубиной. Состав образует континуум с карбонатитами , но последние содержат слишком много кислорода для существования углерода в чистом виде. Вместо этого он заперт в минеральном кальците ( Ca C O
3). [66]
Все три алмазоносные породы (кимберлит, лампроит и лампрофир) не содержат определенных минералов ( мелилит и кальсилит ) , которые несовместимы с образованием алмазов. В кимберлите оливин крупный и заметный, в то время как в лампроите присутствует тифлогопит , а в лампрофире — биотит и амфибол . Все они происходят из типов магмы, которые быстро извергаются из небольших количеств расплава, богаты летучими веществами и оксидом магния и менее окислительны , чем более распространенные мантийные расплавы, такие как базальт . Эти характеристики позволяют расплавам выносить алмазы на поверхность до того, как они растворятся. [66]
Кимберлитовые трубки может быть трудно найти. Они быстро выветриваются (в течение нескольких лет после выхода на поверхность) и, как правило, имеют более низкий топографический рельеф, чем окружающая порода. Если они видны в обнажениях, алмазы никогда не видны, потому что они очень редки. В любом случае, кимберлиты часто покрыты растительностью, отложениями, почвами или озерами. В современных поисках геофизические методы , такие как аэромагнитная съемка , электрическое сопротивление и гравиметрия , помогают определить перспективные регионы для исследования. Этому способствуют изотопное датирование и моделирование геологической истории. Затем геодезисты должны отправиться в район и собрать образцы, ища фрагменты кимберлита или индикаторные минералы . Последние имеют составы, которые отражают условия, в которых образуются алмазы, такие как крайнее истощение расплава или высокое давление в эклогитах . Однако индикаторные минералы могут вводить в заблуждение; лучшим подходом является геотермобарометрия , где составы минералов анализируются так, как если бы они находились в равновесии с минералами мантии. [66]
Поиск кимберлитов требует упорства, и только небольшая часть содержит алмазы, которые являются коммерчески жизнеспособными. Единственные крупные открытия с 1980 года были сделаны в Канаде. Поскольку существующие шахты имеют срок службы всего 25 лет, в будущем может возникнуть нехватка новых алмазов. [66]
Алмазы датируются путем анализа включений с использованием распада радиоактивных изотопов. В зависимости от содержания элементов можно рассмотреть распад рубидия в стронций , самария в неодим , урана в свинец , аргона-40 в аргон-39 или рения в осмий . Те, что обнаружены в кимберлитах, имеют возраст от 1 до 3,5 миллиардов лет , и в одном и том же кимберлите может быть несколько возрастов, что указывает на несколько эпизодов образования алмазов. Сами кимберлиты намного моложе. Большинство из них имеют возраст от десятков миллионов до 300 миллионов лет, хотя есть некоторые более старые исключения (Аргайл, Премьер и Вава). Таким образом, кимберлиты образовались независимо от алмазов и служили только для их транспортировки на поверхность. [20] [66] Кимберлиты также намного моложе кратонов, через которые они извергались. Причина отсутствия более старых кимберлитов неизвестна, но она предполагает, что произошли некоторые изменения в химии мантии или тектонике. Ни один кимберлит не извергался в истории человечества. [66]
Большинство алмазов ювелирного качества добываются на глубине 150–250 км в литосфере . Такие глубины встречаются под кратонами в мантийных килях , самой толстой части литосферы. Эти регионы имеют достаточно высокое давление и температуру, чтобы позволить алмазам сформироваться, и они не конвектируют, поэтому алмазы могут храниться миллиарды лет, пока кимберлитовое извержение не заберет их. [66]
Вмещающие породы в мантийном киле включают гарцбургит и лерцолит , два типа перидотита . Наиболее доминирующий тип породы в верхней мантии , перидотит, является магматической породой , состоящей в основном из минералов оливина и пироксена ; в нем мало кремнезема и много магния . Однако алмазы в перидотите редко выживают после выхода на поверхность. [66] Другим распространенным источником, который сохраняет алмазы нетронутыми, является эклогит , метаморфическая порода, которая обычно образуется из базальта , когда океаническая плита погружается в мантию в зоне субдукции . [20]
Меньшая часть алмазов (было изучено около 150) поступает с глубин 330–660 км, области, которая включает переходную зону . Они образовались в эклогите, но отличаются от алмазов более мелкого происхождения включениями маджорита (форма граната с избытком кремния). Аналогичная доля алмазов поступает из нижней мантии на глубинах от 660 до 800 км. [20]
Алмаз термодинамически стабилен при высоких давлениях и температурах, причем фазовый переход из графита происходит при более высоких температурах по мере увеличения давления. Таким образом, под континентами он становится стабильным при температуре 950 градусов по Цельсию и давлении 4,5 гигапаскаля, что соответствует глубине 150 километров и более. В зонах субдукции, которые холоднее, он становится стабильным при температуре 800 °C и давлении 3,5 гигапаскаля. На глубинах более 240 км присутствуют фазы металла железо-никель, и углерод, вероятно, либо растворен в них, либо находится в форме карбидов . Таким образом, более глубокое происхождение некоторых алмазов может отражать необычные условия роста. [20] [66]
В 2018 году первые известные природные образцы фазы льда, называемой Ice VII, были обнаружены в виде включений в образцах алмазов. Включения образовались на глубинах от 400 до 800 км, охватывая верхнюю и нижнюю мантию, и свидетельствуют о наличии на этих глубинах богатой водой жидкости. [75] [76]
В мантии содержится примерно один миллиард гигатонн углерода (для сравнения, в системе атмосфера-океан содержится около 44 000 гигатонн). [77] Углерод имеет два стабильных изотопа , 12 C и 13 C , в соотношении примерно 99:1 по массе. [66] Это соотношение имеет широкий диапазон в метеоритах, что подразумевает, что оно также сильно варьировалось на ранней Земле. Оно также может быть изменено поверхностными процессами, такими как фотосинтез . Фракцию обычно сравнивают со стандартным образцом, используя соотношение δ 13 C, выраженное в частях на тысячу. Обычные породы из мантии, такие как базальты, карбонатиты и кимберлиты, имеют соотношения между −8 и −2. На поверхности органические отложения имеют среднее значение −25, а карбонаты имеют среднее значение 0. [20]
Популяции алмазов из разных источников имеют распределения δ 13 C, которые заметно различаются. Перидотитовые алмазы в основном находятся в типичном мантийном диапазоне; эклогитовые алмазы имеют значения от −40 до +3, хотя пик распределения находится в мантийном диапазоне. Эта изменчивость подразумевает, что они не образованы из первичного углерода ( находившегося в мантии с момента образования Земли). Вместо этого они являются результатом тектонических процессов, хотя (учитывая возраст алмазов) не обязательно тех же тектонических процессов, которые действуют в настоящее время. [66]
Алмазы в мантии образуются в результате метасоматического процесса, когда жидкость или расплав C–O–H–N–S растворяет минералы в породе и заменяет их новыми минералами. (Обычно используется неопределенный термин C–O–H–N–S, поскольку точный состав неизвестен.) Алмазы образуются из этой жидкости либо путем восстановления окисленного углерода (например, CO 2 или CO 3 ), либо путем окисления восстановленной фазы, такой как метан . [20]
Используя такие зонды, как поляризованный свет, фотолюминесценция и катодолюминесценция , в алмазах можно идентифицировать ряд зон роста. Характерный рисунок в алмазах из литосферы включает почти концентрическую серию зон с очень тонкими колебаниями в люминесценции и чередующимися эпизодами, когда углерод поглощается жидкостью, а затем снова растет. Алмазы из-под литосферы имеют более нерегулярную, почти поликристаллическую текстуру, отражающую более высокие температуры и давления, а также перенос алмазов конвекцией. [66]
Геологические данные подтверждают модель, в которой кимберлитовая магма поднимается со скоростью 4–20 метров в секунду, создавая восходящий путь путем гидравлического разрыва породы. По мере снижения давления из магмы выделяется паровая фаза , и это помогает поддерживать магму жидкой. На поверхности первоначальное извержение взрывается через трещины на высокой скорости (более 200 м/с (450 миль в час)). Затем, при более низком давлении, порода разрушается, образуя трубу и производя фрагментированную породу ( брекчию ). По мере того, как извержение затухает, возникает пирокластическая фаза, а затем метаморфизм и гидратация производят серпентиниты . [66]
В редких случаях были найдены алмазы, содержащие полость, внутри которой находится второй алмаз. Первый двойной алмаз, Матрешка , был найден АЛРОСА в Якутии , Россия, в 2019 году. [78] Еще один был найден на алмазном месторождении Эллендейл в Западной Австралии в 2021 году. [79]
Хотя алмазы на Земле редки, они очень распространены в космосе. В метеоритах около трех процентов углерода находится в форме наноалмазов , имеющих диаметр в несколько нанометров. Достаточно маленькие алмазы могут образовываться в холодном космосе, поскольку их более низкая поверхностная энергия делает их более стабильными, чем графит. Изотопные сигнатуры некоторых наноалмазов указывают на то, что они были сформированы за пределами Солнечной системы в звездах. [80]
Эксперименты под высоким давлением предсказывают, что большие количества алмазов конденсируются из метана в «алмазный дождь» на ледяных гигантских планетах Уран и Нептун . [81] [82] [83] Некоторые внесолнечные планеты могут почти полностью состоять из алмазов. [84]
Алмазы могут существовать в богатых углеродом звездах, особенно в белых карликах . Одна из теорий происхождения карбонадо , самой прочной формы алмаза, заключается в том, что он возник в белом карлике или сверхновой . [85] [86] Алмазы, образовавшиеся в звездах, могли быть первыми минералами. [87]
Наиболее распространенные применения алмазов сегодня — это использование их в качестве драгоценных камней для украшений и в качестве промышленных абразивов для резки твердых материалов. Рынки алмазов ювелирного и промышленного качества оценивают алмазы по-разному.
Рассеивание белого света в спектральные цвета является основной геммологической характеристикой драгоценных алмазов. В 20 веке эксперты в области геммологии разработали методы оценки алмазов и других драгоценных камней на основе характеристик, наиболее важных для их ценности как драгоценного камня. Четыре характеристики, неформально известные как четыре C , в настоящее время обычно используются в качестве основных описаний алмазов: это его масса в каратах (карат равен 0,2 грамма), огранка (качество огранки оценивается в соответствии с пропорциями , симметрией и полировкой ), цвет (насколько близок к белому или бесцветному; для фантазийных алмазов насколько интенсивен его оттенок) и чистота (насколько он свободен от включений ). Большой, безупречный алмаз известен как образец . [88]
Существует крупная торговля алмазами ювелирного качества. Хотя большинство алмазов ювелирного качества продаются недавно ограненными, существует хорошо налаженный рынок перепродажи ограненных алмазов (например, ломбарды, аукционы, магазины подержанных ювелирных изделий, диамантеры, биржи и т. д.). Одной из отличительных черт торговли алмазами ювелирного качества является ее примечательная концентрация: оптовая торговля и огранка алмазов ограничены всего несколькими местами; в 2003 году 92% алмазов в мире были огранены и огранены в Сурате , Индия . [89] Другими важными центрами огранки и торговли алмазами являются алмазный район Антверпена в Бельгии , где базируется Международный геммологический институт , Лондон , Алмазный район в Нью-Йорке , район Алмазной биржи в Тель-Авиве и Амстердам . Одним из способствующих факторов является геологическая природа месторождений алмазов: несколько крупных первичных кимберлитовых трубок составляют значительную часть доли рынка (например, рудник Джваненг в Ботсване, который представляет собой один большой карьер, который может производить от 12 500 000 до 15 000 000 карат (2 500 и 3 000 кг) алмазов в год [90] ). Вторичные аллювиальные месторождения алмазов, с другой стороны, имеют тенденцию быть фрагментированными среди многих различных операторов, поскольку они могут быть разбросаны на многих сотнях квадратных километров (например, аллювиальные месторождения в Бразилии). [ необходима цитата ]
Производство и распределение алмазов в значительной степени консолидировано в руках нескольких ключевых игроков и сосредоточено в традиционных центрах торговли алмазами, наиболее важным из которых является Антверпен, где обрабатывается 80% всех необработанных алмазов , 50% всех ограненных алмазов и более 50% всех необработанных, ограненных и промышленных алмазов вместе взятых. [91] Это делает Антверпен де-факто «мировой столицей алмазов». [92] В городе Антверпен также находится Antwerpsche Diamantkring , созданная в 1929 году, чтобы стать первой и крупнейшей алмазной биржей, посвященной необработанным алмазам. [93] Другим важным алмазным центром является Нью-Йорк, где продается почти 80% алмазов мира, включая аукционные продажи. [91]
Компания De Beers , как крупнейшая в мире алмазодобывающая компания, занимает доминирующее положение в отрасли и делает это с момента своего основания в 1888 году британским бизнесменом Сесилом Родсом . В настоящее время De Beers является крупнейшим в мире оператором предприятий по производству алмазов (шахт) и каналов сбыта алмазов ювелирного качества. Diamond Trading Company (DTC) является дочерней компанией De Beers и продает необработанные алмазы с шахт, эксплуатируемых De Beers. De Beers и ее дочерние компании владеют шахтами, которые производят около 40% ежегодной мировой добычи алмазов. На протяжении большей части 20-го века более 80% необработанных алмазов в мире проходили через De Beers, [94] но к 2001–2009 годам этот показатель снизился примерно до 45% [95] , а к 2013 году доля компании на рынке еще больше снизилась примерно до 38% в стоимостном выражении и еще меньше по объему. [96] De Beers распродала большую часть своих запасов алмазов в конце 1990-х – начале 2000-х годов [97] , а оставшаяся часть в основном представляет собой рабочий запас (алмазы, которые сортируются перед продажей). [98] Это было хорошо задокументировано в прессе [99], но остается малоизвестным широкой публике.
В рамках сокращения своего влияния De Beers отказалась от покупки алмазов на открытом рынке в 1999 году и прекратила в конце 2008 года покупку российских алмазов, добытых крупнейшей российской алмазной компанией АЛРОСА . [100] По состоянию на январь 2011 года De Beers заявляет, что продает алмазы только из следующих четырех стран: Ботсвана, Намибия, Южная Африка и Канада. [101] АЛРОСА была вынуждена приостановить свои продажи в октябре 2008 года из-за мирового энергетического кризиса , [ необходима ссылка ], но компания сообщила, что возобновила продажу необработанных алмазов на открытом рынке к октябрю 2009 года. [102] Помимо АЛРОСА, другими важными алмазодобывающими компаниями являются BHP , которая является крупнейшей в мире горнодобывающей компанией; [103] Rio Tinto , владелец алмазных рудников Argyle (100%), Diavik (60%) и Murowa (78%); [104] и Petra Diamonds , владелец нескольких крупных алмазных рудников в Африке.
Далее по цепочке поставок члены Всемирной федерации алмазных бирж (WFDB) выступают в качестве посредника для оптовой торговли алмазами, торгуя как полированными, так и необработанными алмазами. WFDB состоит из независимых алмазных бирж в крупных центрах огранки, таких как Тель-Авив, Антверпен, Йоханнесбург и других городах по всей территории США, Европы и Азии. [34] В 2000 году WFDB и Международная ассоциация производителей алмазов создали Всемирный алмазный совет для предотвращения торговли алмазами, используемыми для финансирования войны и бесчеловечных актов. Дополнительные мероприятия WFDB включают спонсирование Всемирного алмазного конгресса каждые два года, а также создание Международного алмазного совета (IDC) для надзора за оценкой алмазов. [105]
После покупки сайтхолдерами (это термин торговой марки, относящийся к компаниям, имеющим трехлетний контракт на поставку с DTC), алмазы гранятся и полируются для подготовки к продаже в качестве драгоценных камней («промышленные» камни считаются побочным продуктом рынка драгоценных камней; они используются для абразивов). [106] Гранение и полировка необработанных алмазов — это специализированное мастерство, которое сосредоточено в ограниченном количестве мест по всему миру. [106] Традиционными центрами огранки алмазов являются Антверпен, Амстердам , Йоханнесбург, Нью-Йорк и Тель-Авив. Недавно центры огранки алмазов были созданы в Китае, Индии, Таиланде , Намибии и Ботсване. [106] Центры огранки с более низкой стоимостью рабочей силы, в частности Сурат в Гуджарате, Индия , обрабатывают большее количество алмазов меньшего размера, в то время как меньшие количества более крупных или более ценных алмазов, скорее всего, будут обрабатываться в Европе или Северной Америке. Недавнее расширение этой отрасли в Индии, использующей дешевую рабочую силу, позволило перерабатывать мелкие алмазы в драгоценные камни в больших количествах, чем это было экономически целесообразно ранее. [91]
Алмазы, подготовленные как драгоценные камни, продаются на алмазных биржах, называемых биржами . В мире зарегистрировано 28 алмазных бирж. [107] Биржи являются последним строго контролируемым этапом в цепочке поставок алмазов; оптовики и даже розничные торговцы могут покупать относительно небольшие партии алмазов на биржах, после чего они готовятся к окончательной продаже потребителю. Алмазы могут продаваться уже вставленными в ювелирные изделия или продаваться неоправленными («россыпью»). По данным Rio Tinto, в 2002 году алмазы, произведенные и выпущенные на рынок, оценивались в 9 миллиардов долларов США как необработанные алмазы, 14 миллиардов долларов США после огранки и полировки, 28 миллиардов долларов США в оптовых ювелирных изделиях с бриллиантами и 57 миллиардов долларов США в розничных продажах. [108]
_Diamond_from_the_collection_of_the_national_jewels_of_Iran_at_Central_Bank_of_Islamic_Republic_of_Iran.jpg/1280px-The_Daria-e_Noor_(Sea_of_Light)_Diamond_from_the_collection_of_the_national_jewels_of_Iran_at_Central_Bank_of_Islamic_Republic_of_Iran.jpg)
Добытые необработанные алмазы превращаются в драгоценные камни с помощью многоэтапного процесса, называемого «резкой». Алмазы чрезвычайно тверды, но также хрупки и могут быть разделены одним ударом. Поэтому огранка алмазов традиционно считается деликатной процедурой, требующей навыков, научных знаний, инструментов и опыта. Ее конечной целью является создание ограненного драгоценного камня, в котором определенные углы между гранями оптимизируют блеск алмаза, то есть рассеивание белого света, тогда как количество и площадь граней определяют вес конечного продукта. Уменьшение веса при огранке является значительным и может составлять порядка 50%. [109] Рассматриваются несколько возможных форм, но окончательное решение часто определяется не только научными, но и практическими соображениями. Например, алмаз может быть предназначен для демонстрации или ношения, в кольце или ожерелье, отдельно или в окружении других драгоценных камней определенного цвета и формы. [110] Некоторые из них можно считать классическими, например , круглые , грушевидные , маркизные , овальные , в форме сердца и стрелы и т. д. Некоторые из них являются особенными, производимыми определенными компаниями, например, бриллианты Phoenix, Cushion, Sole Mio и т. д. [111]
Наиболее трудоемкой частью огранки является предварительный анализ необработанного камня. Он требует решения большого количества вопросов, несет большую ответственность и поэтому может длиться годами в случае уникальных алмазов. Рассматриваются следующие вопросы:
После первоначальной огранки алмаз формируется на многочисленных этапах полировки. В отличие от огранки, которая является ответственной, но быстрой операцией, полировка удаляет материал путем постепенной эрозии и занимает чрезвычайно много времени. Сопутствующая техника хорошо разработана; она считается рутинной и может выполняться техниками. [113] После полировки алмаз повторно осматривается на предмет возможных дефектов, как оставшихся, так и вызванных процессом. Эти дефекты скрываются с помощью различных методов улучшения алмаза , таких как повторная полировка, заполнение трещин или продуманное расположение камня в ювелирном изделии. Оставшиеся неалмазные включения удаляются с помощью лазерного сверления и заполнения образовавшихся пустот. [29]
Маркетинг существенно повлиял на имидж алмаза как ценного товара.
NW Ayer & Son , рекламная фирма, нанятая De Beers в середине 20-го века, преуспела в возрождении американского алмазного рынка, и фирма создала новые рынки в странах, где ранее не существовало алмазных традиций. Маркетинг NW Ayer включал размещение продукции , рекламу, сосредоточенную на самом алмазном продукте, а не на бренде De Beers, и ассоциации со знаменитостями и королевскими особами. Не рекламируя бренд De Beers, De Beers также рекламировала алмазную продукцию своих конкурентов, [114] но это не было проблемой, поскольку De Beers доминировала на алмазном рынке на протяжении всего 20-го века. Рыночная доля De Beers временно упала до второго места на мировом рынке после АЛРОСА после мирового экономического кризиса 2008 года, снизившись до менее чем 29% по добытым каратам, а не проданным. [115] Кампания длилась десятилетиями, но была фактически прекращена к началу 2011 года. De Beers по-прежнему рекламирует бриллианты, но теперь реклама в основном продвигает ее собственные бренды или лицензированные линейки продукции, а не полностью «универсальные» бриллиантовые продукты. [115] Кампанию, возможно, лучше всего передает слоган « бриллиант навсегда ». [116] Этот слоган сейчас использует De Beers Diamond Jewelers, [117] ювелирная фирма, которая является совместным предприятием 50/50% между горнодобывающей компанией De Beers и LVMH , конгломератом предметов роскоши.
Коричневые алмазы составляли значительную часть производства алмазов и в основном использовались в промышленных целях. Они считались бесполезными для ювелирных изделий (даже не оценивались по шкале цвета алмазов ). После разработки алмазного рудника Аргайл в Австралии в 1986 году и маркетинга коричневые алмазы стали приемлемыми драгоценными камнями. [118] [119] Изменение было в основном обусловлено цифрами: рудник Аргайл с его 35 000 000 карат (7 000 кг) алмазов в год производит около одной трети мирового производства природных алмазов; [120] 80% алмазов Аргайл являются коричневыми. [121]
Промышленные алмазы ценятся в основном за их твердость и теплопроводность, что делает многие геммологические характеристики алмазов, такие как 4 Cs , неактуальными для большинства применений. Восемьдесят процентов добытых алмазов (что составляет около 135 000 000 карат (27 000 кг) в год) непригодны для использования в качестве драгоценных камней и используются в промышленности. [122] Помимо добытых алмазов, синтетические алмазы нашли промышленное применение почти сразу после их изобретения в 1950-х годах; в 2014 году было произведено 4 500 000 000 карат (900 000 кг) синтетических алмазов, 90% из которых были произведены в Китае. Примерно 90% алмазной шлифовальной крошки в настоящее время имеет синтетическое происхождение. [123]
Граница между алмазами ювелирного качества и промышленными алмазами плохо определена и частично зависит от рыночных условий (например, если спрос на полированные алмазы высок, некоторые камни более низкого качества будут полироваться в низкокачественные или мелкие драгоценные камни, а не продаваться для промышленного использования). В категории промышленных алмазов есть подкатегория, включающая в себя камни самого низкого качества, в основном непрозрачные, которые известны как борты . [124]
Промышленное использование алмазов исторически было связано с их твердостью, что делает алмаз идеальным материалом для режущих и шлифовальных инструментов. Как самый твердый известный природный материал, алмаз может использоваться для полировки, резки или истирания любого материала, включая другие алмазы. Обычные промышленные применения этого свойства включают алмазные сверла и пилы, а также использование алмазного порошка в качестве абразива . Менее дорогие промышленные алмазы (борт) с большим количеством дефектов и более плохим цветом, чем драгоценные камни, используются для таких целей. [125] Алмаз не подходит для обработки ферросплавов на высоких скоростях, так как углерод растворяется в железе при высоких температурах, создаваемых высокоскоростной обработкой, что приводит к значительному увеличению износа алмазных инструментов по сравнению с альтернативами. [126]
Специализированные приложения включают использование в лабораториях в качестве защитной оболочки для экспериментов под высоким давлением (см. ячейку с алмазной наковальней ), высокопроизводительные подшипники и ограниченное использование в специализированных окнах . [124] С постоянными успехами в производстве синтетических алмазов становятся возможными будущие приложения. Высокая теплопроводность алмаза делает его пригодным в качестве радиатора для интегральных схем в электронике . [127]
Ежегодно добывается около 130 000 000 карат (26 000 кг) алмазов общей стоимостью около 9 миллиардов долларов США, а ежегодно синтезируется около 100 000 кг (220 000 фунтов). [128]
Примерно 49% алмазов добывают в Центральной и Южной Африке , хотя значительные запасы этого минерала были обнаружены в Канаде , Индии , России , Бразилии и Австралии . [123] Их добывают из кимберлитовых и лампроитовых вулканических трубок, которые могут выносить на поверхность кристаллы алмазов, берущие начало из глубин Земли, где высокие давления и температуры позволяют им формироваться. Добыча и распределение природных алмазов часто являются предметом споров, таких как опасения по поводу продажи кровавых алмазов или конфликтных алмазов африканскими военизированными группами. [129] Цепочка поставок алмазов контролируется ограниченным числом влиятельных предприятий и также сильно сконцентрирована в небольшом количестве мест по всему миру.
Только очень малая часть алмазной руды состоит из настоящих алмазов. Руда дробится, во время чего требуется осторожность, чтобы не разрушить более крупные алмазы, а затем сортируется по плотности. Сегодня алмазы локализуются в богатой алмазами фракции плотности с помощью рентгеновской флуоресценции , после чего последние этапы сортировки выполняются вручную. До того, как использование рентгеновских лучей стало обычным явлением, [109] разделение осуществлялось с помощью смазочных лент; алмазы имеют более сильную тенденцию прилипать к смазке, чем другие минералы в руде. [34]
Исторически алмазы находили только в россыпных отложениях в округах Гунтур и Кришна в дельте реки Кришна в Южной Индии . [130] Индия лидировала в мире по производству алмазов с момента их открытия примерно в 9 веке до н. э. [131] [132] до середины 18 века н. э., но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и в это время Индию затмила Бразилия, где в 1725 году были найдены первые неиндийские алмазы. [131] В настоящее время одна из самых известных индийских шахт находится в Панне . [133]
Добыча алмазов из первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началась в 1870-х годах после открытия алмазных месторождений в Южной Африке. [134] Производство росло с течением времени, и с тех пор было добыто в общей сложности 4 500 000 000 карат (900 000 кг). [135] Двадцать процентов этого количества было добыто за последние пять лет, а за последние 10 лет девять новых шахт начали добычу; еще четыре ждут своего открытия в ближайшее время. Большинство из этих шахт расположены в Канаде, Зимбабве, Анголе и одна в России. [135]
В США алмазы были найдены в Арканзасе , Колорадо , Нью-Мексико , Вайоминге и Монтане . [136] [137] В 2004 году открытие микроскопического алмаза в США привело к проведению в январе 2008 года массового отбора проб из кимберлитовых трубок в отдаленной части Монтаны. Государственный парк «Кратер алмазов» в Арканзасе открыт для публики и является единственной шахтой в мире, где представители общественности могут добывать алмазы. [137]
Сегодня большинство коммерчески выгодных месторождений алмазов находятся в России (в основном в Республике Саха , например, трубки Мир и Удачная ), Ботсване , Австралии ( Северная и Западная Австралия ) и Демократической Республике Конго . [138] По данным Британской геологической службы , в 2005 году Россия произвела почти одну пятую часть мировой добычи алмазов. Австралия может похвастаться самой богатой алмазоносной трубкой, причем добыча на алмазном руднике Аргайл достигла пиковых уровней в 42 метрических тонны в год в 1990-х годах. [136] [139] Также есть промышленные месторождения, которые активно разрабатываются на Северо-Западных территориях Канады и Бразилии. [123] Алмазодобытчики продолжают искать по всему миру алмазоносные кимберлитовые и лампроитовые трубки.
В некоторых политически нестабильных странах Центральной и Западной Африки революционные группы взяли под контроль алмазные рудники , используя доходы от продажи алмазов для финансирования своей деятельности. Алмазы, проданные таким образом, известны как конфликтные алмазы или кровавые алмазы . [129]
В ответ на обеспокоенность общественности тем, что их покупки алмазов способствуют войне и нарушениям прав человека в Центральной и Западной Африке, Организация Объединенных Наций , алмазная промышленность и страны, торгующие алмазами, в 2002 году ввели Кимберлийский процесс . [140] Цель Кимберлийского процесса — гарантировать, что конфликтные алмазы не будут смешиваться с алмазами, не контролируемыми такими повстанческими группами. Это достигается путем требования к странам, производящим алмазы, предоставить доказательства того, что деньги, которые они получают от продажи алмазов, не используются для финансирования преступной или революционной деятельности. Хотя Кимберлийский процесс был умеренно успешным в ограничении количества конфликтных алмазов, поступающих на рынок, некоторые из них все еще попадают туда. По данным Международной ассоциации производителей алмазов, конфликтные алмазы составляют 2–3% всех продаваемых алмазов. [141] Два основных недостатка по-прежнему препятствуют эффективности Кимберлийского процесса: (1) относительная легкость контрабанды алмазов через африканские границы и (2) насильственный характер добычи алмазов в странах, которые не находятся в состоянии технической войны и чьи алмазы поэтому считаются «чистыми». [140]
Канадское правительство создало орган, известный как Канадский алмазный кодекс поведения [142] , чтобы помочь аутентифицировать канадские алмазы. Это строгая система отслеживания алмазов, которая помогает защитить ярлык «бесконфликтных» канадских алмазов. [143]
Эксплуатация минеральных ресурсов в целом наносит непоправимый ущерб окружающей среде, который необходимо сопоставлять с социально-экономическими выгодами для страны. [144]
Синтетические алмазы — это алмазы, произведенные в лабораторных условиях, в отличие от алмазов, добытых из недр Земли. Геммологическое и промышленное использование алмазов создало большой спрос на необработанные камни. Этот спрос в значительной степени удовлетворяется синтетическими алмазами, которые производятся различными способами на протяжении более полувека. Однако в последние годы стало возможным производить синтетические алмазы ювелирного качества значительных размеров. [65] Можно изготавливать бесцветные синтетические драгоценные камни, которые на молекулярном уровне идентичны натуральным камням и настолько визуально похожи, что только геммолог со специальным оборудованием может заметить разницу. [145]
Большинство коммерчески доступных синтетических алмазов имеют желтый цвет и производятся с помощью так называемых процессов высокого давления и высокой температуры ( HPHT ). [146] Желтый цвет вызван примесями азота . Другие цвета также могут быть воспроизведены, такие как синий, зеленый или розовый, которые являются результатом добавления бора или облучения после синтеза. [147]
Другим популярным методом выращивания синтетических алмазов является химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Рост происходит при низком давлении (ниже атмосферного). Он включает в себя подачу смеси газов (обычно 1 к 99 метана к водороду ) в камеру и расщепление их на химически активные радикалы в плазме , зажигаемой микроволнами , горячей нитью накала , дуговым разрядом , сварочной горелкой или лазером . [148] Этот метод в основном используется для покрытий, но также может производить монокристаллы размером в несколько миллиметров (см. рисунок). [128]
По состоянию на 2010 год почти все 5000 миллионов карат (1000 тонн) синтетических алмазов, производимых в год, предназначены для промышленного использования. Около 50% из 133 миллионов карат природных алмазов, добываемых в год, в конечном итоге используются в промышленности. [145] [149] Расходы горнодобывающих компаний составляют в среднем от 40 до 60 долларов США за карат для природных бесцветных алмазов, в то время как расходы производителей синтетических алмазов составляют в среднем 2500 долларов США за карат для синтетических бесцветных алмазов ювелирного качества. [145] : 79 Однако покупатель с большей вероятностью столкнется с синтетикой, когда будет искать бриллиант фантазийного цвета, поскольку только 0,01% природных алмазов имеют фантазийный цвет, в то время как большинство синтетических алмазов окрашены каким-либо образом. [150]
Имитатор алмаза — это неалмазный материал, который используется для имитации внешнего вида алмаза, и может называться диамантом. Кубический цирконий является наиболее распространенным. Драгоценный камень муассанит (карбид кремния) может рассматриваться как имитатор алмаза, хотя его производство более затратно, чем кубический цирконий. Оба производятся синтетически. [151]
Улучшения алмазов — это специальные обработки, выполняемые на природных или синтетических алмазах (обычно уже ограненных и отполированных до состояния драгоценного камня), которые предназначены для улучшения геммологических характеристик камня одним или несколькими способами. К ним относятся лазерное сверление для удаления включений, нанесение герметиков для заполнения трещин, обработки для улучшения цветовой гаммы белого алмаза и обработки для придания фантазийного цвета белому алмазу. [152]
Покрытия все чаще используются для придания алмазному имитатору, такому как кубический цирконий, более «алмазоподобного» вида. Одним из таких веществ является алмазоподобный углерод — аморфный углеродистый материал, обладающий некоторыми физическими свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Реклама предполагает, что такое покрытие передаст некоторые из этих алмазоподобных свойств покрытому камню, тем самым улучшая алмазный имитатор. Такие методы, как Рамановская спектроскопия, должны легко идентифицировать такую обработку. [153]
.png/1280px-Diamond_(side_view).png)
Ранние тесты на идентификацию алмазов включали тест на царапину, основанный на превосходной твердости алмаза. Этот тест является разрушительным, так как алмаз может поцарапать другой алмаз, и в настоящее время используется редко. Вместо этого идентификация алмазов основана на его превосходной теплопроводности. Электронные термозонды широко используются в геммологических центрах для отделения алмазов от их имитаций. Эти зонды состоят из пары термисторов с питанием от батареи , установленных в тонком медном наконечнике. Один термистор функционирует как нагревательное устройство, в то время как другой измеряет температуру медного наконечника: если проверяемый камень является алмазом, он будет проводить тепловую энергию наконечника достаточно быстро, чтобы произвести измеримое падение температуры. Этот тест занимает около двух-трех секунд. [154]
В то время как тепловой зонд может отделить алмазы от большинства их имитаторов, различие между различными типами алмазов, например, синтетическими или натуральными, облученными или необлученными и т. д., требует более продвинутых оптических методов. Эти методы также используются для некоторых имитаторов алмазов, таких как карбид кремния, которые проходят тест на теплопроводность. Оптические методы могут различать натуральные алмазы и синтетические алмазы. Они также могут идентифицировать подавляющее большинство обработанных натуральных алмазов. [155] «Идеальные» кристаллы (на уровне атомной решетки) никогда не были найдены, поэтому как натуральные, так и синтетические алмазы всегда обладают характерными несовершенствами, возникающими из-за обстоятельств их роста кристаллов, которые позволяют отличать их друг от друга. [156]
Лаборатории используют такие методы, как спектроскопия, микроскопия и люминесценция под коротковолновым ультрафиолетовым светом, чтобы определить происхождение алмаза. [155] Они также используют специально изготовленные инструменты, которые помогают им в процессе идентификации. Два скрининговых инструмента — DiamondSure и DiamondView , оба производятся DTC и продаются GIA. [157]
Можно использовать несколько методов идентификации синтетических алмазов в зависимости от способа производства и цвета алмаза. Алмазы CVD обычно можно идентифицировать по оранжевой флуоресценции. Алмазы цвета D–J можно проверить с помощью [158] Diamond Spotter Швейцарского геммологического института . Камни в цветовом диапазоне D–Z можно исследовать с помощью спектрометра DiamondSure UV/vidible, инструмента, разработанного De Beers. [156] Аналогично, природные алмазы обычно имеют незначительные недостатки и изъяны, такие как включения инородного материала, которые не видны в синтетических алмазах.
Устройства для скрининга, основанные на определении типа алмаза, могут использоваться для различения алмазов, которые, безусловно, являются натуральными, и алмазов, которые потенциально являются синтетическими. Эти потенциально синтетические алмазы требуют более тщательного исследования в специализированной лаборатории. Примерами коммерческих устройств для скрининга являются D-Screen (WTOCD / HRD Antwerp), Alpha Diamond Analyzer (Bruker / HRD Antwerp) и D-Secure (DRC Techno).
Название алмаз происходит от древнегреческого : ἀδάμας ( adámas ), «правильный, неизменный, нерушимый, неприрученный», от ἀ- ( a- ), «не» + древнегреческого : δαμάω ( damáō ), «побеждать, приручать». [159] Считается, что алмазы были впервые обнаружены и добыты в Индии , где значительные аллювиальные отложения камня можно было найти много веков назад вдоль рек Пеннер , Кришна и Годавари . Алмазы были известны в Индии по крайней мере 3000 лет, но, скорее всего, 6000 лет. [131]
Алмазы ценились как драгоценные камни с тех пор, как они использовались в качестве религиозных икон в древней Индии . Их использование в качестве инструментов для гравировки также относится к ранней истории человечества . [160] [161] Популярность алмазов возросла с 19 века из-за увеличения поставок, улучшения методов огранки и полировки, роста мировой экономики и инновационных и успешных рекламных кампаний. [116]
В 1772 году французский ученый Антуан Лавуазье использовал линзу, чтобы сконцентрировать лучи солнца на алмазе в атмосфере кислорода , и показал, что единственным продуктом сгорания был углекислый газ , доказав, что алмаз состоит из углерода. [162] Позже, в 1797 году, английский химик Смитсон Теннант повторил и расширил этот эксперимент. [163] Демонстрируя, что при горении алмаза и графита выделяется одинаковое количество газа, он установил химическую эквивалентность этих веществ. [30]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Цитаты из Викицитатника