Για να γίνει ο γραφίτης διαμάντι. Μέθοδος καλλιέργειας διαμαντιών από γραφίτη Το διαμάντι μετατρέπεται σε γραφίτη

Προτείνεται μια μέθοδος για την ανάπτυξη διαμαντιού από γραφίτη σε θάλαμο υψηλής πίεσης με έκθεση της διεπαφής διαμαντιού-γραφίτη στο όριο διαμαντιού-γραφίτη μέσω ενός από τα τοιχώματα του θαλάμου διαφανές στην ακτινοβολία λέιζερ με περιοδική ακτινοβολία λέιζερ. Σε έναν θάλαμο τύπου διαμαντιού άκμονα, διατηρείται πίεση από 5 έως 50 GPa, ανάλογα με τις δυνατότητες του θαλάμου, και ένας παλμός ακτινοβολίας λέιζερ θερμαίνει ένα πολύ στενό στρώμα δέρματος γραφίτη σε θερμοκρασίες 1000 K, επαρκείς για να μετασχηματίσει τον γραφίτη. σε διαμάντι. Λόγω των μεγάλων διαβαθμίσεων θερμοκρασίας στο στρώμα του δέρματος και της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας του διαμαντιού, το στρώμα ψύχεται ασυνήθιστα γρήγορα και μετατρέπεται σε διαμάντι διαφανές στην ακτινοβολία λέιζερ. Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ πρέπει να βρίσκεται εντός του εύρους διαφάνειας διαμαντιού από 0,2 έως 5 μικρά. Ο επόμενος παλμός λέιζερ θα πρέπει να θερμάνει το επόμενο στρώμα γραφίτη και να το μετατρέψει σε διαμάντι, δηλ. Η ακτινοβολία λέιζερ διεγείρει την ανάπτυξη διαφανούς διαμαντιού σε αδιαφανή γραφίτη. 1 άρρωστος.

Μέθοδος παραγωγής τεχνητών διαμαντιών Η εφεύρεση αναφέρεται σε μέθοδο παραγωγής τεχνητών διαμαντιών. Είναι γνωστό ότι το διαμάντι έχει μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Είναι η πιο σκληρή και λιγότερο συμπιέσιμη ουσία, έχει εξαιρετικά υψηλή χημική αντοχή στα οξέα, έχει πεδίο ρεκόρ ηλεκτρικής διάσπασης και θερμική αγωγιμότητα αρκετές φορές υψηλότερη από τη θερμική αγωγιμότητα του χαλκού σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτές οι ιδιότητες καθορίζουν την ευρεία χρήση του διαμαντιού σε τομείς της βιομηχανίας όπως η ηλεκτρονική, η μηχανολογία, η παραγωγή εργαλείων διάτρησης και λειαντικών, η επεξεργασία λίθων, η ιατρική, το κόσμημα κ.λπ. Επί του παρόντος, υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη σύνθεση διαμαντιών. Η πιο κοινή μέθοδος είναι η κρυστάλλωση του διαμαντιού από ένα διάλυμα άνθρακα σε λιωμένο μέταλλο με ατομική συναρμολόγηση. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρίζεται από χαμηλό ρυθμό σύνθεσης, που δεν υπερβαίνει τα 10 -6 cm/s, και από την παρουσία μεταλλικών ακαθαρσιών στο διαμάντι που προκύπτει. Ένα άλλο, κοντά στο πρώτο, είναι η σύνθεση διαμαντιού από μη κρυσταλλικές μορφές άνθρακα που λαμβάνεται από τη θερμική αποσύνθεση υδρογονανθράκων σε συμπυκνωμένη κατάσταση. Αν και αυτή η μέθοδος καταφέρνει να απαλλαγεί από ακαθαρσίες μετάλλων, ο ρυθμός σύνθεσης παραμένει τόσο χαμηλός όσο και στην προηγούμενη περίπτωση. Η τρίτη μέθοδος περιλαμβάνει την ανάπτυξη επιταξιακών μεμβρανών διαμαντιού από την αέρια φάση. Σε αυτή την περίπτωση, η παραγωγή ατομικού άνθρακα πραγματοποιείται ως αποτέλεσμα της θερμικής αποσύνθεσης υδρογονανθράκων σε μείγματα αερίων με υδρογόνο. Για την παραγωγή ατμού άνθρακα με θερμική αποσύνθεση ουσιών που περιέχουν άνθρακα, μερικές φορές χρησιμοποιείται ακτινοβολία λέιζερ, η οποία στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται μόνο για εξάτμιση ουσιών που περιέχουν άνθρακα. Μια άλλη μεγάλη κατηγορία μεθόδων σύνθεσης διαμαντιών αναφέρεται στη λεγόμενη άμεση μετατροπή του πλέγματος γραφίτη σε δικτυωτό πλέγμα διαμαντιών. Όπως έχει διαπιστωθεί, σε θερμοκρασία δωματίου κατά την υδροστατική συμπίεση του γραφίτη, ο σχηματισμός δομής διαμαντιού δεν συμβαίνει μέχρι πιέσεις 80 GPa. Για το σχηματισμό της φάσης διαμαντιού απαιτείται επιπρόσθετα είτε η παρουσία πλαστικής διατμητικής παραμόρφωσης είτε αύξηση της θερμοκρασίας. Ο σχηματισμός μιας δομής διαμαντιού κατά τη διάρκεια παραμόρφωσης πλαστικής διάτμησης σε θερμοκρασία δωματίου παρατηρήθηκε σε θάλαμο υψηλής πίεσης με αδαμαντοφόρους άκμονες, ένας από τους οποίους μπορούσε να περιστρέφεται. Σε πίεση 19 GPa και διατμητική τάση περίπου 3 GPa, οι πυρήνες διαμαντιών αρχίζουν να αναπτύσσονται στην άμορφη φάση. Παρουσία μόνο μονοαξονικής συμπίεσης ενός μονοκρυστάλλου γραφίτη σε θερμοκρασία δωματίου, παρατηρείται αναστρέψιμη μετάβαση στην άμορφη φάση σε πίεση 13 GPa. Η θέρμανση ενός συμπιεσμένου δείγματος σε αυτή την πίεση πάνω από 1300 K οδηγεί στο σχηματισμό και την ανάπτυξη πυρήνων lonsdaleite. Η προκύπτουσα φάση διατηρείται με διαδοχική αφαίρεση θερμοκρασίας και πίεσης. Περαιτέρω θέρμανση στους 2000 K οδηγεί στη μετάβαση του lonsdaleite σε διαμάντι. Έντονες πλαστικές παραμορφώσεις στον γραφίτη, ταυτόχρονα με τη συμπίεσή του, συμβαίνουν πίσω από τα μέτωπα ισχυρών κρουστικών κυμάτων, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μετάβαση φάσης του γραφίτη σε διαμάντι σε πιέσεις πίσω από το μέτωπο 20-40 GPa. Ωστόσο, λόγω της επιμονής των υψηλών θερμοκρασιών πίσω από το κρουστικό κύμα μετά την εκφόρτωση των δειγμάτων, συμβαίνει σχεδόν πλήρης ανόπτηση του συντιθέμενου διαμαντιού, δηλ. Η αντίστροφη μετάβασή του σε γραφίτη και η απόδοση της σκόνης διαμαντιού δεν υπερβαίνει ένα κλάσμα του ποσοστού. Για να ληφθούν κρουστικά κύματα, καθώς και συμπιέσεις κρουσμάτων με έλεγχο θερμοκρασίας, προτάθηκε η χρήση παλμών λέιζερ με προφίλ υψηλής έντασης 10 12 - 10 14 W/cm 2, οι οποίοι, πέφτοντας στην εξωτερική πλευρά των στόχων, δημιουργούν υψηλές πιέσεις λόγω στην αντιδραστική δύναμη του εξατμιζόμενου υλικού. Προτάθηκε επίσης η θέρμανση του γραφίτη με παλμό ηλεκτρικού ρεύματος και η συμπίεση των δειγμάτων από το μαγνητικό πεδίο του ίδιου του ρεύματος. Ωστόσο, η ταχεία απομάκρυνση της θερμότητας και η διατήρηση της φάσης του διαμαντιού σε αυτές τις προτάσεις παραμένει ένα μάλλον περίπλοκο και μη επιλυμένο ακόμη πρόβλημα. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος γρήγορης απομάκρυνσης της θερμότητας κατά τη φόρτιση κρουσμάτων είναι η μέθοδος χρήσης μιγμάτων γραφίτη με μεταλλικές σκόνες, οι οποίες, λόγω της χαμηλότερης συμπιεστότητας σε σύγκριση με τον γραφίτη, υπόκεινται σε σημαντικά μικρότερη θέρμανση και παίζουν το ρόλο των ψυκτών. Στη βιομηχανική σύνθεση διαμαντιών χρησιμοποιούνται μίγματα χαλκού-γραφίτη με περιεκτικότητα σε γραφίτη έως και 8%, εκ των οποίων το 75% μετατρέπεται σε σκόνη διαμαντιού. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος των πολυκρυστάλλων διαμαντιών κυμαίνεται από 0,1 έως 60 μικρά και το μέσο μέγεθος των σωματιδίων που συνθέτουν έναν πολυκρυστάλλο είναι 10 nm. Η κρουστική μέθοδος σύνθεσης διαμαντιών με απόδοση έως και 50% της μάζας του αρχικού γραφίτη εφαρμόζεται επίσης στην περιοχή 6 του διαγράμματος φάσεων με συμπίεση κρουστικού γραφίτη σε μείγμα με συμπυκνωμένα αδρανή αέρια (N, He, Ar, ) και επακόλουθη ταχεία ψύξη της στερεάς φάσης λόγω απομάκρυνσης θερμότητας σε ταχεία ψύξη κατά την αδιαβατική εκφόρτωση αδρανούς αερίου. Σε αυτή την περίπτωση, η απόδοση του διαμαντιού είναι περίπου η ίδια όπως στην προηγούμενη περίπτωση μειγμάτων γραφίτη με μεταλλικές σκόνες. Το πρωτότυπο της προτεινόμενης μεθόδου σύνθεσης διαμαντιών είναι η μέθοδος μετατροπής του γραφίτη σε διαμάντι σε συμπιεσμένη κατάσταση όταν θερμαίνεται με παλμό ηλεκτρικού ρεύματος. Με αυτή τη μέθοδο, δημιουργήθηκε στατική πίεση σε ένα αμόνι «ιμάντα» και έφτασε τα 20 GPa και η μέγιστη θερμοκρασία μπορούσε να φτάσει τους 5000 Κ. Η σύνθεση διαμαντιών πραγματοποιήθηκε σε έναν κύλινδρο γραφίτη ύψους 3 mm και διαμέτρου 2 mm, μέσω του οποίου διοχετεύθηκε ηλεκτρικό ρεύμα στην περιοχή πίεσης 10-20 GPa σε θερμοκρασίες 3000-4000 K. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η μη ομοιόμορφη θέρμανση της πρώτης ύλης και, κατά συνέπεια, παραγωγή δειγμάτων σκούρου πολυκρυσταλλικού διαμαντιού. Η προτεινόμενη μέθοδος λύνει το πρόβλημα της σύνθεσης διαφανών διαμαντιών σε μεγάλους όγκους. Στην προτεινόμενη μέθοδο, όπως και στο πρωτότυπο, η συμπίεση και η θέρμανση του γραφίτη πραγματοποιούνται ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Ωστόσο, η θέρμανση στην προτεινόμενη μέθοδο πραγματοποιείται με παλμική-περιοδική ακτινοβολία λέιζερ μέσω του διαφανούς τοιχώματος του θαλάμου υψηλής πίεσης, αφού περάσει μέσα από το οποίο η ακτινοβολία απορροφάται σε ένα πολύ λεπτό στρώμα δέρματος από γραφίτη. Ο διαφανής τοίχος μπορεί να είναι το ίδιο το διαμάντι ή άλλο διαφανές και αρκετά ισχυρό υλικό, για παράδειγμα, ζαφείρι ή νιτρίδιο του βορίου. Για να περάσει η ακτινοβολία λέιζερ μέσα από το αναπτυσσόμενο διαμάντι, είναι απαραίτητο η τιμή του κβαντικού φωτονίου h να μην υπερβαίνει την τιμή του διακένου ζώνης διαμαντιού E 0 5,2 eV, δηλ. Το μήκος κύματος του λέιζερ πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 230 nm. Από την άλλη πλευρά, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ δεν θα πρέπει να εκτείνεται στην περιοχή του άκρου υπερύθρου, όπου αρχίζει η απορρόφηση της ακαθαρσίας και του πλέγματος του διαμαντιού, δηλ. πρέπει να είναι μικρότερη από 5 μικρά. Η ακτινοβολία λέιζερ σε γραφίτη απορροφάται στο βάθος του στρώματος του δέρματος ειδική αγωγιμότητα του γραφίτη, συχνότητα ακτινοβολίας λέιζερ. Για ένα λέιζερ Nd (= 1,06 μm), το βάθος του δέρματος σε γραφίτη είναι = 0,26 μm, και για ένα λέιζερ XeCl (= 0,31 μm) είναι 0,14 μm, δηλ. σε ολόκληρο το οπτικό εύρος μπορεί να θεωρηθεί 0,2 Ο χρόνος ψύξης ενός λεπτού θερμαινόμενου στρώματος πάχους κατά τάξη μεγέθους είναι ίσος με: t = 2 /a, όπου a=k/C είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας-αγωγιμότητας, k είναι το συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, πυκνότητα, C είναι η θερμοχωρητικότητα. Το πάχος της θερμαινόμενης στρώσης είναι d ~ 0,2 μm. Αντικαθιστώντας τις γνωστές τιμές για το διαμάντι k = 10 W/cm deg, = 3,5 g/cm 3, C = 2 J/g deg, λαμβάνουμε τον χαρακτηριστικό χρόνο ψύξης του το στρώμα T = 1 ns Η χρονική συμπεριφορά της θερμοκρασίας του θερμαινόμενου στρώματος βρίσκεται από τη λύση της εξίσωσης θερμικής αγωγιμότητας, η λύση της οποίας για ακτινοβολία λέιζερ παλμών συχνότητας με ορθογώνιους παλμούς (I(t)=I 0 , για 0< t < o I(t)=0 для остального времени) дает условие нагрева графита в скин-слое до необходимой температуры, которая по порядку величины равна так называемой температуре "графитизации" 2000 К. Это условие имеет вид: I o o 0,1 Дж/см 2 . При интенсивности I 0 50 МВт/см 2 указанная температура достигается за время 2 нс. После остывания нагретого слоя и превращения его в слой алмаза процесс может быть повторен уже для следующего слоя графита с последующим его превращением в новый слой алмаза и т.д. Временной интервал между последовательными лазерными импульсами определяется общим временем отвода тепла в стенки камеры высокого давления и может доходить до микросекунды в зависимости от ее размеров. Средняя плотность мощности лазерного излучения определяется возможностями охлаждения камеры и может доходить до 10 кВт/см 2 . На чертеже изображена общая схема камеры для синтеза алмазной фазы при лазерном облучении графита в сжатом состоянии, где 1 стенки камеры высокого давления; 2 область поглощения лазерного излучения; 3 прозрачная стенка камеры высокого давления. Использование лазерного излучения для нагрева графита (а в более общем случае непрозрачных углеродосодержащих веществ), прижимаемого к алмазу, приводит к качественно новым результатам. Благодаря аномально малой глубине прогреваемого слоя и возникающей вследствие этого большим градиентам температуры, а также вследствие большой величины теплопроводности алмаза тепло из тонкого прогретого слоя уходит в окружающие стенки наковальни за аномально короткие времена. При этом большие градиенты температуры вызывают в материале также касательные напряжения, которые, как показывают опыты, способствуют образованию алмаза. Изменяя интенсивность лазерного импульса, можно создавать в слое графита практически любые температуры от начальной до температур 5000 К и выше. Верхняя граница по давлению в камере определяется типом наковальни, создающей внешнее объемное давление, и для типичных алмазных наковален может достигать нескольких десятков ГПа. Нижняя граница согласно опытам лежит в районе 10 ГПа. После нагрева одного слоя графита и превращения его в алмаз следующий импульс лазерного излучения проходит через образованный алмазный слой и нагревает следующий слой графита и т. д. т.е. процесс может быть многократно повторен, пока весь облучаемый графит не превратится в алмаз. В отличие от нагрева электрическим током лазерное излучение нагревает даже случайно образующиеся в алмазе непрозрачные включения графита, заставляя их превращаться в алмаз. Поэтому предлагаемый способ позволяет получать особо чистые и прозрачные образцы алмаза в больших объемах. Способ осуществляется следующим образом. Графит помещают в камеру давления, одна из стенок которых является прозрачной для лазерного излучения. Давление в камере, например, с помощью гидростатического пресса, поддерживается все время постоянным, на уровне 10 ГПа. Через прозрачную стенку камеры подается импульсно-периодическое лазерное излучение, например, 2-й гармоники Nd-лазера = 0,53 мкм в котором произведение плотности интенсивности в импульсе на длительность импульса удовлетворяет условию I o o 0,2 Дж/см 2 . При интенсивности I 0 50 МВт/см 2 температура 1000 К достигается за время 2 нс. После остывания нагретого слоя за такое же по порядку величины время и превращения его в алмаз следующий лазерный импульс нагревает следующий слой сжатого графита и процесс продолжается до полной трансформации графита в алмаз. После выключения лазерного излучения и снятия давления полученный алмаз вынимается из камеры. Следует отметить, что лазерное излучение, особенно в ультрафиолетовой области спектра, кроме чисто теплового воздействия на графит может способствовать перестройке сжатого графита в алмаз переводя атомы углерода в электронно-возбужденное состояние, тем самым стимулируя перестройку валентных связей, характерную для структуры алмаза. При этом синтез алмаза может происходить без существенного повышения температуры путем фотохимического воздействия лазерного излучения на фазовый переход сжатый графит-алмаз. В последнем случае для синтеза алмаза можно использовать непрерывное лазерное излучение слабой интенсивности. Скорость границы наращивания алмаза можно оценить из соображений размерности: v d = I/(E g N g) где I средняя интенсивность лазерного излучения, поглощенного в графите, E g характерная энергия, необходимая для перестройки одного атома углерода из решетки графита в решетку алмаза, она по порядку величины равна E g = kT g где T g =2000, k температура "графитизации", N g =10 22 см -3 плотность атомов углерода. При средней плотности поглощаемой в графите лазерной мощности в 10 Вт/см 2 скорость роста алмаза должна составлять около 1 мм/с. Величина выращиваемых алмазов определяется только величиной объема, в котором внешним устройством, например, гидростатическим прессом, создается необходимое для синтеза алмаза давление, и в настоящее время может доходить до нескольких кубических сантиметров. Отметим, что предлагаемый способ отличается как высокой скоростью роста, так и высокой чистотой получаемых алмазов, так как не связан с использованием катализаторов и внесением посторонних примесей в процессе синтеза. Он может быть использован для стимулирования роста любого прозрачного для лазерного излучения вещества, находящегося в контакте с непрозрачным материалом, служащего для него исходным продуктом.

Η εξόρυξη διαμαντιών είναι αναμφίβολα μια αρκετά κερδοφόρα επιχείρηση που μπορεί να υποστηρίξει την οικονομία οποιασδήποτε χώρας. Ωστόσο, πολλοί επιχειρηματίες θα ήθελαν πιθανώς να μειώσουν το κόστος απόκτησης αυτών των πολύτιμων λίθων και έτσι να αυξήσουν περαιτέρω το εισόδημα της βιομηχανίας εξόρυξης διαμαντιών. Τι γίνεται αν είναι δυνατή η παραγωγή διαμαντιών συνθετικά από γραφίτη;

Για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη φύση δύο υλικών - του διαμαντιού και του γραφίτη. Πολλοί άνθρωποι εξακολουθούν να θυμούνται από τα μαθήματα χημείας ότι αυτά τα δύο φαινομενικά διαφορετικά υλικά αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άνθρακα.

Το διαμάντι είναι συνήθως ένας διαφανής κρύσταλλος, αλλά μπορεί να είναι μπλε, κυανό, κόκκινο, ακόμη και μαύρο. Είναι η πιο σκληρή και ανθεκτική ουσία στη Γη. Αυτή η σκληρότητα οφείλεται στην ειδική δομή του κρυσταλλικού πλέγματος. Έχει σχήμα τετραέδρου και όλα τα άτομα άνθρακα βρίσκονται στην ίδια απόσταση μεταξύ τους. Ο γραφίτης είναι σκούρο γκρι με μεταλλική απόχρωση, απαλός και εντελώς αδιαφανής. Το κρυσταλλικό πλέγμα του γραφίτη είναι διατεταγμένο σε στρώματα, σε καθένα από τα οποία τα μόρια συναρμολογούνται σε ισχυρά εξάγωνα, αλλά μεταξύ των στρωμάτων ο δεσμός μεταξύ των μορίων είναι αρκετά αδύναμος. Δηλαδή, στην ουσία, η διαφορά μεταξύ διαμαντιού και γραφίτη έγκειται στη διαφορετική δομή του κρυσταλλικού πλέγματος.

Κατασκευή διαμαντιών από γραφίτη

Ως εκ τούτου, η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι είναι δυνατή. Αυτό αποδείχθηκε από επιστήμονες του εικοστού αιώνα. Το 1955 παρουσιάστηκε έκθεση της General Electric και συντέθηκαν τα πρώτα διαμάντια, αν και πολύ μικρά. Ο πρώτος που πραγματοποίησε τη σύνθεση ήταν ο ερευνητής της εταιρείας T. Hall. Για να επιτευχθούν τέτοιες επιτυχίες, χρησιμοποιήθηκε εξοπλισμός που επέτρεψε τη δημιουργία πίεσης 120 χιλιάδων ατμοσφαιρών και θερμοκρασίας 1800°C.

Μια ομάδα επιστημόνων από την Allied Chemical Corporation πραγματοποίησε την άμεση μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκαν πιο ακραίες συνθήκες σε σύγκριση με προηγούμενες μεθόδους. Για τη δημιουργία μέγιστης πίεσης 300 χιλιάδων ατμοσφαιρών και θερμοκρασίας 1200°C για 1 μικροδευτερόλεπτο, χρησιμοποιήθηκε ένα εκρηκτικό τεράστιας ισχύος. Ως αποτέλεσμα, αρκετά μικρά σωματίδια διαμαντιού βρέθηκαν στο δείγμα γραφίτη. Τα αποτελέσματα του πειράματος δημοσιεύτηκαν το 1961.

Ωστόσο, αυτοί δεν ήταν όλοι οι τρόποι για να αποκτήσετε διαμάντια από γραφίτη. Το 1967, ο R. Wentorf μεγάλωσε το πρώτο διαμάντι από σπόρο. Ο ρυθμός ανάπτυξης αποδείχθηκε αρκετά χαμηλός. Το μεγαλύτερο συνθετικό διαμάντι που κατασκευάστηκε από τον R. Wentorf χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο έφτασε σε μέγεθος 6 mm και βάρος 1 καράτι (περίπου 0,2 g).

Σύγχρονες μέθοδοι σύνθεσης διαμαντιών από γραφίτη

Οι σύγχρονες τεχνολογίες καθιστούν δυνατή την απόκτηση διαμαντιών από γραφίτη χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους. Τα διαμάντια συντίθενται υπό συνθήκες όσο το δυνατόν πιο κοντά στις φυσικές, και επίσης με χρήση καταλυτών. Οι κρύσταλλοι διαμαντιών καλλιεργούνται σε περιβάλλον μεθανίου και η λεπτή σκόνη διαμαντιού για την παραγωγή διαφόρων λειαντικών υλικών λαμβάνεται με έκρηξη εκρηκτικών ή σύρματος με μεγάλο παλμό ρεύματος.

Σύντομα χαρακτηριστικά: διαμάντι, γραφίτης και άνθρακας

Διαμετατροπές διαμαντιού, γραφίτη και άνθρακα

Μεταμόρφωση - γραφίτης ή άνθρακας σε διαμάντι

Πάρτε ένα διαμάντι από γραφίτη

Πήρα ψεύτικα διαμάντια

Μέθοδος για την παραγωγή τεχνητών διαμαντιών

Βρήκα άλλο ένα μέθοδος παραγωγής τεχνητών διαμαντιών!

Το πρόβλημα με τα τεχνητά διαμάντια

Μετατροπή γραφίτη σε διαμάντι

Τα πρώτα τεχνητά διαμάντια

Δημιουργία τεχνητών διαμαντιών

Πώς εμφανίστηκε το διαμάντι στη φύση;

Υπόθεση γέννησης βαθιάς διαμαντιού

Εκρηκτική υπόθεση

Υπόθεση γέννησης διαμαντιών σε λειτουργία σπηλαίωσης

Τόσο το διαμάντι όσο και ο γραφίτης είναι διαφορετικές μορφές του ίδιου στοιχείου - άνθρακα. Ο μαλακός, εύθρυπτος γραφίτης και ο σκληρότερος κρύσταλλος στον κόσμο έχουν τον ίδιο τύπο - Γ. Πώς είναι αυτό δυνατό;

Ιδιότητες διαμαντιού και γραφίτη

Τα διαμάντια εμφανίζονται στη φύση σε μια καλά καθορισμένη κρυσταλλική μορφή.Είναι ένα διαφανές και τις περισσότερες φορές άχρωμο κρύσταλλο, αν και υπάρχουν και διαμάντια σε μπλε, κόκκινο και ακόμη και μαύρο χρώμα. Αυτή η χρωματική απόκλιση από τον κανόνα σχετίζεται με τις ιδιαιτερότητες των φυσικών συνθηκών σχηματισμού κρυστάλλων και την παρουσία ακαθαρσιών σε αυτόν. Ένα καθαρισμένο και γυαλισμένο διαμάντι αποκτά μια ιδιαίτερη λάμψη που εκτιμούν οι άνθρωποι.

Τα διαμάντια αντανακλούν καλά το φως και, έχοντας πολύπλοκο σχήμα, το διαθλούν καλά. Αυτό δίνει ένα σημάδι λάμψης και λάμψης του καθαρισμένου κρυστάλλου. Είναι αγωγός της θερμότητας, αλλά είναι μονωτής σε σχέση με τον ηλεκτρισμό.

Ο γραφίτης είναι ο αντίποδας του διαμαντιού. Αυτό δεν είναι κρύσταλλο, αλλά μια συλλογή από λεπτές πλάκες. Είναι μαύρο με γκρι απόχρωση. Στην όψη μοιάζει με χάλυβα με υπεροχή του χυτοσίδηρου.

Παρά την ατσάλινη εμφάνισή του, αισθάνεται λιπαρό στην αφή και όταν χρησιμοποιείται αποδεικνύεται επίσης απαλό. Με την παραμικρή πίεση θρυμματίζεται, κάτι που ελκύει τους ανθρώπους που χρησιμοποιούν τον γραφίτη ως μέσο για την αποτύπωση πληροφοριών στο χαρτί.

Ο γραφίτης, όπως και το διαμάντι, είναι καλός αγωγός της θερμότητας, αλλά, σε αντίθεση με τη συναδελφική του μοριακή δομή, άγει επίσης καλά τον ηλεκτρισμό.

Αυτοί οι διαφορετικοί εκπρόσωποι του πολυμορφισμού του μοριακού άνθρακα διακρίνονται μεταξύ τους μόνο από ένα πράγμα - τη δομή του μοριακού πλέγματος. Όλα τα άλλα είναι απλώς συνέπεια του κυρίου.

Στον γραφίτη, το κρυσταλλικό πλέγμα είναι οργανωμένο σύμφωνα με μια επίπεδη αρχή. Όλα τα άτομα του βρίσκονται σε ένα εξάγωνο, τα οποία βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων διαφορετικών εξαγώνων είναι τόσο αδύναμοι, και ο ίδιος ο γραφίτης είναι στρωμένος και τα στρώματά του είναι ελάχιστα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αυτή η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος καθορίζει την απαλότητα και τη ποικίλη χρησιμότητα του, αλλά ο ίδιος ο γραφίτης καταστρέφεται. Ωστόσο, αυτή ακριβώς η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος είναι που καθιστά δυνατή, χρησιμοποιώντας ειδικές συνθήκες και άλλες ουσίες, την κατασκευή ενός διαμαντιού από γραφίτη. Οι ίδιες διεργασίες συμβαίνουν με αυτό το ορυκτό στη φύση υπό παρόμοιες συνθήκες.

Το διαμαντένιο πλέγμα είναι χτισμένο στην αρχή των ογκομετρικών συνδέσεων του καθενός με όλους και του καθενός με όλους. Τα άτομα σχηματίζουν ένα κανονικό τετράεδρο. Ένα άτομο σε κάθε τετράεδρο περιβάλλεται από άλλα άτομα, καθένα από τα οποία σχηματίζει την κορυφή ενός άλλου τετραέδρου. Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα τετράεδρα σε κάθε κομμάτι διαμαντιού από τα μόρια που σχηματίζουν αυτά τα τετράεδρα, αφού κάθε ένα από τα τετράεδρα είναι μέρος ενός άλλου τετραέδρου. Για το λόγο αυτό, το διαμάντι είναι το πιο άφθαρτο ορυκτό.

Η μοίρα του άνθρακα στον γραφίτη και το διαμάντι

Ο άνθρακας είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στη βιόσφαιρα και σε ολόκληρο τον πλανήτη Γη. Υπάρχει με τη μία ή την άλλη μορφή στην ατμόσφαιρα (διοξείδιο του άνθρακα), στο νερό (διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα και άλλες ενώσεις) και στη λιθόσφαιρα. Εδώ, στο στερέωμα της γης, είναι μέρος μεγάλων κοιτασμάτων άνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου, τύρφης κ.λπ. Αλλά στην καθαρή του μορφή αντιπροσωπεύεται από κοιτάσματα διαμαντιού και γραφίτη.

Το μεγαλύτερο μέρος του άνθρακα συγκεντρώνεται σε ζωντανούς οργανισμούς. Κάθε οργανισμός χτίζει το σώμα του από άνθρακα, η συγκέντρωση του οποίου στα ζωντανά σώματα υπερβαίνει την περιεκτικότητα σε άνθρακα στη μη ζωντανή ύλη. Οι νεκροί οργανισμοί εγκαθίστανται στην επιφάνεια της λιθόσφαιρας ή του ωκεανού. Εκεί αποσυντίθενται κάτω από διαφορετικές συνθήκες, σχηματίζοντας εναποθέσεις πλούσιες σε άνθρακα.

Η προέλευση των καθαρών κοιτασμάτων διαμαντιών και γραφίτη είναι θέμα πολλής συζήτησης. Πιστεύεται ότι πρόκειται για πρώην οργανισμούς που βρέθηκαν σε ειδικές συνθήκες και μεταλλοποιήθηκαν όπως ο άνθρακας. Πιστεύεται επίσης ότι τα διαμάντια είναι πυριγενούς προέλευσης και ο γραφίτης είναι μεταμορφικής προέλευσης. Αυτό σημαίνει ότι η συγκέντρωση των διαμαντιών στον πλανήτη περιλαμβάνει πολύπλοκες διεργασίες στα έγκατα της γης, όπου η έκρηξη και η καύση συμβαίνουν αυθόρμητα παρουσία οξυγόνου. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των μορίων μεθανίου και οξυγόνου, προκύπτουν κρύσταλλοι διαμαντιών. Κατά τις ίδιες διεργασίες, αλλά υπό προϋποθέσεις, είναι δυνατή και η εμφάνιση γραφίτη.

Πώς να πάρετε διαμάντι από γραφίτη

Η απόκτησή του στο σημερινό επίπεδο ανάπτυξης της χημείας δεν ήταν πρόβλημα εδώ και πολύ καιρό. Αυτό που κάνει η φύση για εκατομμύρια χρόνια, μπορεί να κάνει ο άνθρωπος σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα. Το κυριότερο είναι να αναπαράγουμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες στη φύση μια μορφή καθαρού άνθρακα μετατρέπεται σε άλλη, δηλαδή να δημιουργείται υψηλή θερμοκρασία και πολύ υψηλή πίεση.

Για πρώτη φορά δημιουργήθηκαν τέτοιες συνθήκες χρησιμοποιώντας μια έκρηξη. Η έκρηξη είναι μια στιγμιαία καύση υπό υψηλή πίεση. Αφού μάζεψαν ό,τι κατάφεραν να μαζέψουν, αποδείχθηκε ότι στον γραφίτη εμφανίστηκαν μικρά διαμάντια. Αυτός ο κατακερματισμένος μετασχηματισμός συνέβη επειδή η έκρηξη δημιουργεί μια μεγάλη ποικιλία πιέσεων και θερμοκρασιών. Εκεί που δημιουργήθηκαν οι συνθήκες για τη μετάβαση από τον γραφίτη στο διαμάντι, αυτό συνέβη.

Αυτή η αστάθεια των διεργασιών έκανε τις εκρήξεις χωρίς υποσχέσεις για την παραγωγή διαμαντιών από γραφίτη. Αυτό, ωστόσο, δεν εμπόδισε τους επιστήμονες και συνέχισαν πεισματικά να υποβάλλουν τον γραφίτη σε κάθε είδους τεστ με την ελπίδα να τον κάνουν διαμάντι. Ένα σταθερό αποτέλεσμα λήφθηκε με θέρμανση μιας ράβδου γραφίτη με παλμούς σε θερμοκρασία 2000°C, γεγονός που κατέστησε δυνατή την απόκτηση διαμαντιών σημαντικών μεγεθών.

Πειράματα με υψηλή πίεση έδωσαν απροσδόκητα αποτελέσματα - ο γραφίτης μετατράπηκε σε διαμάντι, αλλά όταν η πίεση μειώθηκε, επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση. Δεν ήταν δυνατό να μειωθεί σταθερά η απόσταση μεταξύ των ατόμων άνθρακα χρησιμοποιώντας μόνο την πίεση. Μετά άρχισαν να συνδυάζουν πίεση και υψηλή θερμοκρασία. Τέλος, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί το εύρος των συνδυασμών θερμοκρασίας και πίεσης στο οποίο μπορούν να ληφθούν κρύσταλλοι διαμαντιών. Είναι αλήθεια ότι αυτό παρήγαγε μόνο ένα τεχνικό διαμάντι, η χρήση του οποίου στα κοσμήματα ήταν δύσκολη.

Εκτός από το υψηλό κόστος παροχής ενέργειας για τη διαδικασία μετατροπής του γραφίτη σε διαμάντι, υπήρχε ένα άλλο πρόβλημα - με την αύξηση της διάρκειας της έκθεσης σε υψηλή θερμοκρασία, αρχίζει η γραφιτοποίηση του διαμαντιού. Όλες αυτές οι λεπτές αποχρώσεις περιπλέκουν τη βιομηχανική παραγωγή διαμαντιών. Για το λόγο αυτό, η φύση, που είναι εξαιρετικά καταστροφική για αυτήν, παραμένει σχετική και κερδοφόρα.

Για να αποκτήσουν ένα διαμάντι που προοριζόταν για κοσμήματα, άρχισαν να καλλιεργούν κρυστάλλους χρησιμοποιώντας έναν σπόρο. Ο τελικός κρύσταλλος διαμαντιού εκτέθηκε σε θερμοκρασίες 1500°, οι οποίες διεγείρουν την ανάπτυξη, πρώτα γρήγορη και μετά αργή. Όσο μεγαλύτερος ήταν ο κρύσταλλος, τόσο πιο αργά μεγάλωνε. Αυτό το αποτέλεσμα έκανε το ενδιαφέρον πείραμα απλώς ένα πείραμα, αφού η παραγωγή του σε βιομηχανική κλίμακα έγινε ασύμφορη. Η χρήση του μεθανίου ως «τροφοδότη» για την καλλιέργεια διαμαντιών δεν βελτίωσε την κατάσταση. Σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, το μεθάνιο διασπάται σε άνθρακα και υδρογόνο. Αυτός ο άνθρακας είναι η «τροφή» για το διαμάντι.

Εφαρμογές διαμαντιού και γραφίτη

Και τα δύο ορυκτά χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία.

Τα διαμάντια χρησιμοποιούνται:

• στην ηλεκτρολογικη μηχανικη?
• οργανοποιία?
• ραδιοηλεκτρονικά?
• σε γεωτρήσεις
• στην κατασκευή κοσμημάτων.

Ο γραφίτης χρησιμοποιείται για:

• παραγωγή χωνευτηρίων και άλλου πυρίμαχου εξοπλισμού·
• παραγωγή λιπαντικών?
• Κάνοντας μολύβια?
• παραγωγή εξοπλισμού για τη βιομηχανία ηλεκτρικού άνθρακα.

Παρά την ποικιλία των χρήσεων τόσο του γραφίτη όσο και του διαμαντιού σε διάφορες βιομηχανίες, μπορούμε με ασφάλεια να μιλήσουμε για τα μεγαλύτερα οφέλη του γραφίτη. Λόγω της ιδανικότητας του κρυσταλλικού πλέγματος του, το διαμάντι είναι αδρανές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ως διαμάντι. Τα περισσότερα από τα διαμάντια που εξορύσσονται στη φύση προορίζονται για τις ανάγκες της βιομηχανίας κοσμήματος, καθώς το ορυκτό είναι ένας από τους πιο ακριβούς πολύτιμους λίθους· γίνεται διαμάντι, διεγείρει την κυκλοφορία του χρήματος και αυτή είναι η κύρια ιδιότητά του στην οικονομία.

Ο γραφίτης, αφαιρούμενος από τη φύση, γίνεται όχι μια αυτάρκης αξία, αλλά ένας μεγάλος εργάτης της παραγωγής. Λόγω των ιδιοτήτων του, χρησιμοποιείται τόσο στην πραγματική, φυσική του μορφή, δηλαδή ως γραφίτης, όσο και ως μέσο από το οποίο μπορούν να ληφθούν νέες ουσίες, για παράδειγμα, το ίδιο διαμάντι.