Ученые выяснили, что быстрее — добыть алмаз или синтезировать его

Результаты исследования опубликованы в журнале Heliyon. Алмаз — это форма углерода, которая уже сотни лет привлекает внимание благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам: предельной твердости, высочайшей теплопроводности, химической инертности и пр. Алмазы не только востребованы в ювелирной промышленности, но и необходимы для электроники, квантовых проектов, медицины и так далее, что делает вопрос их лабораторного синтеза особенно важным. Некоторые компании, такие как De Beers Group, уже диверсифицировали свой ассортимент продукции, чтобы предложить клиентам как алмазы, добытые в карьерах, так и алмазы, выращенные в лаборатории.

Создатели способов лабораторного производства алмазов во многом подобны средневековым алхимикам, которые совершенствовали практические технологии в поисках философского камня. Синтез алмазов требует фундаментальных знаний в области физики и химии. Технологии постоянно развиваются, так как спрос на алмазы растет.

Расходы на оплату персонала являются основной частью операционных издержек при производстве алмазов и индикатором общей эффективности производства: чем меньше человеко-часов расходуется на производство единицы продукции, тем выше общая инвестиционная привлекательность алмазных проектов.

В исследовании ученые изучили трудозатраты, необходимые для получения одного карата алмаза тремя способами: классическим открытым способом добычи в алмазном месторождении, высокотемпературным синтезом под высоким давлением (HPHT) и химическим осаждением из газовой фазы в микроволновой плазме с частотой 2,45 ГГц (MP CVD).

Технология HPHT симулирует естественный процесс образования алмазов. Мощный гидравлический пресс сжимает специальный контейнер — ростовую ячейку, внутри которой находится смесь железа, графита и аддитивов. При этом в ячейке создается давление до 6 ГПа, поддерживается температура около 1500 °C — в данных условиях атомы углерода, растворенные в железе, начинают кристаллизоваться. Большинство лабораторных алмазов выращиваются именно при помощи технологии HPHT.

Технология MP CVD сильно отличается от HPHT и не воспроизводит естественный процесс возникновения алмаза. В ней используется метано-водородная плазма вместо расплава железа, а процесс проходит в условиях низкого давления внутри специальной камеры-резонатора. Технология химического осаждения из газовой фазы позволяет создавать сложные кристаллические структуры для ювелирных изделий, оптики и электроники и точно контролировать все соответствующие параметры. Это более молодая и многообещающая технология синтезирования алмазов.

В ходе работы были использованы данные из открытых источников: отчетности ведущего производителя алмазов De Beers, а также лабораторных исследований процессов синтеза. Несмотря на бурный рост количества проектов по синтезу алмазов, авторы исследования пришли к выводу, что удельные трудозатраты при добыче на месторождениях Orapa и Jwaneng в Ботсване значительно меньше, чем при синтезе алмазов ювелирного качества, то есть алмазов с низким содержанием примесей и размерами, оптимальными для использования в ювелирной промышленности.

Ученые рассчитали среднее рабочее время, необходимое для производства 1 карата алмаза. Так, шахтер на месторождениях Orapa и Jwaneng тратит в среднем 26 минут на добычу 1 карата алмаза. Операторы HPHT-пресса и реактора MP CVD тратят в среднем 1 час 50 минут и 3 часа 26 минут соответственно на синтез 1 карата алмаза ювелирного качества.

«Алмаз, шире — углерод, — это, безусловно, материал будущего, отсюда академический интерес к экономическим аспектам карбоновых технологий. Как эксперту мне часто приходится давать заключения на те или иные проекты, связанные с высшими фуллеренами, алмазами и прочими аллотропами углерода. В этой статье мы обобщили собственный опыт в части добычи и синтеза алмаза как одного из основных коммерчески применяемых карбоновых аллотропов», — говорит один из авторов исследования, профессор факультета гуманитарных наук НИУ ВШЭ Владислав Жданов.

Как отмечают исследователи, наблюдаются положительные тенденции в совершенствовании процессов изготовления алмазов. Совершенствуются гидравлические прессы, используемые в HPHT, как следствие, растет производительность.

«Инновации в методе CVD также могут снизить трудоемкость. Синтез монокристаллической алмазной пластины диаметром 92 мм немецкими учеными стал одним из самых важных достижений в технологии за последнее десятилетие. Это вопрос времени, когда этот результат будет масштабирован и мы станем свидетелями резкого роста размеров CVD-алмазов, что может привести к переосмыслению их практического использования», — резюмирует Владислав Жданов.

По мнению исследователя, горнодобывающая промышленность также имеет большой потенциал для повышения производительности труда, например автономная карьерная техника, роботизированные обогатительные фабрики и так далее. Существует бесконечное количество инноваций, и многие аспекты могут быть улучшены.

НИУ ВШЭ

394 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше