Разработка камней земной коры нерентабельна из-за малого размера кристаллов, поэтому промышленная добыча ведется традиционными методами в «сухопутных» месторождениях, встречающихся почти на всех континентах, самые крупные из которых находятся в Южной Америке (Бразилия), России (Якутия) и Африке (Ботсвана, Ангола).
Алмаз
Неподвластный времени. Неразрушимый. Самый востребованный. Все это относится к одному из самых известных и популярных драгоценных камней в мире — алмазу. Перед вами настоящий король драгоценных камней.
Минерал — это однородное вещество, являющееся частью горной породы, метеорита или руды, которое образовалось в земной коре или в толще воды в результате естественных физических и химических процессов.
Драгоценные и полудрагоценные камни — это красивые и редкие образцы определенного минерала.
Это соотношение между массой вещества и занимаемым им объемом. Если сравнить два объекта с одинаковым объемом, то тяжелее будет тот, у которого плотность выше.
Шкала относительной твердости минералов, где 1 по шкале Мооса соответствует самой низкой твердости, а 10 — самой высокой.
Самым твердым эталоном является алмаз, который имеет 10 баллов по шкале Мооса.
Бесцветный, розовый, красный, коричневый, желтый, зеленый, голубой, синий, черный.
История открытия алмаза
Точная дата открытия алмаза в настоящее время неизвестна. Дело в том, что внешний вид необработанных минералов довольно неважен и не привлекает особого внимания. Самые ранние упоминания об индийских камнях относятся к третьему тысячелетию до нашей эры, но в ювелирном деле они стали использоваться лишь около 500 лет назад, когда мастера освоили технику огранки алмазов.
В России концепцию бриллианта распространила Екатерина II, во время правления которой бриллиант стал синонимом богатства и роскоши.
Название минерала на разных языках имеет схожее звучание и значение. Арабы называли его almas, что означает «самый твердый»; греки — adamas, что означает «неразрушимый». Русское слово «алмаз» было введено в середине XV века путешественником Афанасием Никитиным в его книге «Путешествие за три моря».
Физико-химические свойства
Алмазы — прозрачные и бесцветные минералы, но они также имеют розовый и желтый оттенок, сильное сверкание и высокий коэффициент преломления.
Минерал состоит из атомов углерода, расположенных с интервалом в 0,15 нанометра. Атомы образуют кубический кристалл, который придает алмазу наивысшую твердость по 10-балльной шкале Мооса. Однако из-за идеальной спайности кристаллы очень хрупкие, и путаница между твердостью и хрупкостью часто приводила к разрушению драгоценных камней.
Например, коллекция бриллиантов французского герцога Карла Смелого была уничтожена, когда он был вовлечен в междоусобную войну с королем. Наемники Людовика XI, пытаясь проверить подлинность камней с помощью молотка, разбили их в пыль.
Особенности
Уникальные свойства алмаза сделали его востребованным материалом. Он используется для изготовления изысканных ювелирных изделий, поскольку ни один другой минерал не обладает таким блеском. Но есть и другие области применения, где востребованы физические и химические свойства камня.
Это самый твердый минерал с показателем 10 по шкале Мооса. Его твердость зависит от направления молекул. Его острые края не ломаются и выдерживают сильное механическое воздействие.
Алмаз оптически изотропен, но иногда возникает аномальное двулучепреломление. Для этого камня характерны определенные виды минеральных включений. Он хорошо проницаем для масел и имеет высокий коэффициент преломления (2,42), но относительно низкую плотность (3,52).
Алмаз характеризуется высокой теплопроводностью. Он прозрачен для рентгеновских лучей и имеет слабое голубое мерцание. Описываемый минерал имеет высокую дисперсию (0,044).
Не все знают, что минерал может отличаться по цвету, от этого зависит цена изделия. Камень может быть совершенно бесцветным, прозрачным, желтым или даже светло-коричневым.
Чем он темнее, тем ниже его стоимость.
Бесцветные бриллианты пользуются большим спросом, потому что они красиво блестят в ювелирных изделиях. Такие изделия используются в ювелирном искусстве, а другие — в промышленности и других областях. Полностью бесцветные бриллианты встречаются редко, поэтому они продаются по более высокой цене.
Применение в технической промышленности
В последние несколько десятилетий человек продолжает совершенствовать технологии, облегчая жизнь. В прошлом алмаз использовался только для изготовления ювелирных изделий, а позже был приспособлен в качестве инструмента для заточки ножей и шлифовальных кругов. Сегодня область применения значительно расширилась, и минерал стал необходимостью:
- для заточки коньков;
- в электронике;
- при создании телекоммуникаций;
- в медицине;
- химической промышленности;
- в качестве защитного механизма.
Оптические линзы могут быть защищены от разрушения плавиковой кислотой с помощью алмазов, согласно новым разработкам в области космических путешествий и квантовой физики. Лазерные технологии также не могут обойтись без алмазов.
Все инструменты, имеющие в своей конструкции алмазные частицы, могут быть использованы для резки и обработки твердых материалов. В основном это касается двух областей: резки и сверления.
Как показывает практика, такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и увеличивают срок службы изделий. Дробленый алмаз используется в качестве специального покрытия на сверлах, шлифовальных машинах, фрезах и другом оборудовании.
Грануляция применяется для повышения точности резания без зазубрин.
При использовании алмазного сверла вероятность того, что отверстие будет замусорено осколками или трещинами, сводится к минимуму. Это немаловажно при прокладке линий водо- и электропередач и водоснабжения.
Использование алмаза в ювелирном деле
Алмазы — самый ценный камень в мире, образовавшийся за миллиарды лет под поверхностью земли. Огромное давление и тепло земной мантии превращают уголь в великолепный камень, самый желанный из всех. Свойства алмазов учитываются, например, при изготовлении ювелирных изделий:
- цвет;
- ясность;
- количество карат;
- флуоресценция;
- огранка.
Большинство бриллиантов имеют желтоватый оттенок. Подлинные бесцветные бриллианты встречаются крайне редко и стоят очень дорого. Цвет бриллианта оценивается по шкале от D, «бесцветный», до J, «почти бесцветный».
Некоторые даже предпочитают бриллианты с желтоватым оттенком, поскольку они дают разноцветные искры при попадании на них света, в то время как абсолютно прозрачные минералы могут казаться льдисто-голубыми.
Чистота камня определяется тем, сколько недостатков или «включений» находится внутри бриллианта. Это качество исследуется под большим увеличением. Бриллиант с серьезными дефектами не будет блестеть так же хорошо, как безупречный бриллиант.
Чистота оценивается по следующей шкале:
- VVS1-VVS2 – небольшое количество включений;
- VS1-VS2 – чуть больше включений;
- S1-S2 – немного больше включений.
Все эти недостатки не видны невооруженным глазом. Истинно безупречные бриллианты с маркировкой F очень редки и дороги и обычно не предлагаются в обычных ювелирных магазинах.
Способ огранки бриллианта — самый важный фактор, определяющий привлекательность минерала. Огранка с пометкой «отлично» или «превосходно» означает, что ювелир убедился в том, что бриллиант огранен пропорционально. Плохо ограненный алмаз не будет сверкать или блестеть должным образом, потому что свет отражается от камня не так, как нужно. В идеально ограненном бриллианте трудно заметить даже его недостатки, например, желтоватый цвет.
Хорошо ограненный бриллиант может даже казаться больше своего истинного веса из-за своего блеска, в то время как плохо ограненный минерал может визуально казаться меньше.
Количество каратов зависит от его веса. Один карат равен 0,2 грамма. С увеличением веса стоимость бриллианта возрастает в геометрической прогрессии. Чем больше карат в бриллианте, тем больше вероятность того, что минерал будет иметь дефекты, например, непрозрачный цвет.
Флуоресценция — важная характеристика бриллиантов, хотя она обсуждается не так часто, как другие характеристики. Под флуоресценцией понимается голубой свет, который излучают камни при облучении черным ультрафиолетовым светом. Некоторые бриллианты светятся интенсивным голубым светом, другие — умеренным, но есть и такие, которые вообще не светятся.
Для бесцветного камня типа D или E по цветовой шкале флуоресценция не дает никаких дополнительных преимуществ.
Однако для камней со слегка желтоватым оттенком, типа I или J, умеренная или сильная флуоресценция помогает скрыть желтый оттенок, делая его ярче.
Сферы применения
Свойства материала могут быть использованы различными способами. Можно перечислить наиболее важные и популярные.
Строительные работы
Сложные бетонные конструкции требуют наличия швов. Они также часто оснащаются арматурой и добавками. Сверление, резка и демонтаж требуют прочной арматуры. Кристаллические инструменты легко справляются с самыми твердыми материалами. Сверла разного диаметра могут создавать чистые отверстия. Алмаз используется не только для работы по бетону, но и режет гранит, мрамор и гравий.
Строительство здания начинается с рытья траншей для кабелей и коммуникаций. Для этого вида работ используется специальная машина — проходческий комбайн. Траншея выкапывается диском, лопасти которого посыпаны алмазной крошкой.
Приборостроение
Тысячи устройств, приспособлений и инструментов изготавливаются из алмаза. Трудно перечислить их все. Наиболее важными и известными являются следующие:
- фреза;
- шлифовальный круг;
- стеклорез;
- нож по металлу;
- пила.
Медицина
Материал используется для изготовления медицинских скальпелей. Острые лезвия делают тонкий срез. Сегодня невозможно представить работу хирурга без алмазного скальпеля. Ученые еще не закончили работу над твердым материалом. Медицинский лазер — одна из последних разработок. Минерал является лидером этого прибора. Новые научные разработки могут появиться в любой момент.
Телекоммуникации
Кристалл позволяет пропускать через один провод различные частоты. Он нечувствителен к перепадам температуры и может выдерживать удары электрическим током. Преимуществом камня является его размер. Невидимые для обычного глаза частицы обладают максимально возможными свойствами. Драгоценные камни используются в фотоэлементах и приборах для оптической техники. У астрономов все приборы работают на потенциале минерала.
Химическая и физическая отрасль
Здесь природный материал является защитным компонентом. Агрессивная среда разрушает многие химические соединения. Твердые породы противостоят кислотам и другим разрушительным соединениям. Области промышленности, где активно используются минералы:
- квантовая физика;
- лазерные технологии;
- космические исследования.
Приборы не вызывают погрешностей и позволяют достичь максимальной точности.
Добыча полезных ископаемых
Приборы для твердых пород помогают в бурении, прокладке труб. Добыча нефти, разработка газовых месторождений, проникновение в слои горных пород, известняковые залежи — возможности самоцветов.
Фильеры
В радиоэлектронике используется специальный металлический прибор. Нить — это лист материала с очень тонкими, невидимыми отверстиями для кабеля. Нити изготавливаются из металлов и сплавов. Они могут резать другие материалы, как обычный нож, только алмазные матрицы выдерживают трение и давление острых металлических нитей.
Порошки
Пылевидные составы изготавливаются из камня. Их используют и получают после дробления прочных минералов. Искусственные алмазы также изготавливаются на основе порошка. Металлический состав используется для покрытия деталей инструмента:
Виды минералов
Не каждый образец драгоценного камня превращается в материал для промышленного использования. Лучшие виды попадают к ювелирам. Они дороги и встречаются только в определенных районах мира, поэтому поставлять их в другие отрасли невыгодно, расточительно и нецелесообразно. Алмазы не могут быть в изобилии, поэтому они не идут в массовую промышленность.
Классификация основана на классификации породы. Первые две — драгоценные камни. Остальные семь — технические.
Синтетически полученный минерал подходит для промышленного применения. Статистика предоставляет некоторые интересные данные. Большая часть материалов, поставляемых в промышленность, имеет искусственное происхождение, а именно 97 %. Методы и технологии производства минералов
- CVD. Осадок, получаемый в процессе оседания химических паров.
- HPHT. Создаётся высокое давление и нужные температуры.
- Подрывная синтезация. Условия для создания камней максимально приближены к естественным, происходящим в природе: взрыв и углерод.
Классификации основаны на принципах:
- генетика, условия образования;
- прозрачность;
- равномерность цвета;
- наличие дефектов;
- особенности включений.
Каждая страна имеет свои специфические требования: Размер, полнота свойств.
Алмазы, полученные в результате добычи, позволяют развивать технологические навыки, модернизировать и совершенствовать научные достижения.
Области использования алмазов
Благодаря своим уникальным свойствам природные и синтетические алмазы используются в производстве ювелирных изделий, в изготовлении высокоточного и медицинского оборудования, в производстве высокопрочных инструментов. Камни делятся на ювелирные и технические. Первые обладают высокой степенью прозрачности, могут демонстрировать уникальные фантастические оттенки и после огранки преломляют свет с характерным блеском. Технические драгоценные камни не обладают такими высокими свойствами и не подвергаются огранке, а используются в науке и промышленности. Несмотря на все достижения в синтезе синтетических камней, бриллианты остаются драгоценным материалом и желанным приобретением.
Только камни с безупречными характеристиками, такими как чистота, цвет и отсутствие изъянов, признаются «драгоценными камнями». Их гранят и полируют, чтобы получить прекрасные, блестящие бриллианты. Уникальные экземпляры становятся достоянием коллекций и государственных сокровищниц. Большинство ограненных камней используется для изготовления ювелирных изделий.
Бриллианты используются для изготовления женских и мужских украшений. Высококачественные камни покупаются на аукционах для коллекций домов моды или для изготовления уникальных дизайнерских украшений. Массовое производство ювелирных изделий позволяет использовать камни умеренного качества:
- их дефекты не различимы невооруженным глазом, украшение можно спокойно носить в повседневной жизни;
- стоимость таких камней ниже, чем у высококачественных безупречных собратьев, потому ювелирные украшения доступны по цене массовому потребителю.
Не существует ювелирных изделий, для которых нельзя было бы использовать бриллианты. Комплекты с драгоценными камнями сегодня являются воплощением роскоши, но даже женщины без больших доходов стремятся пополнить свою коллекцию ювелирных изделий бриллиантовыми серьгами, подвесками, браслетами и ожерельями. Ювелиры также используют бриллианты и алмазную огранку для изготовления часов.
Что делают из алмазов кроме украшений
Помимо ювелирных изделий, камни также используются в часовых механизмах, оптических приборах и фотоаппаратах. Бриллианты позволяют изготавливать защитные элементы для приборов, которые продлевают срок их службы. Свойства драгоценных камней также используются для создания мощных, быстрых и компактных компьютеров.
Физические и химические свойства бриллианта используются не только в ювелирной промышленности. Из технических алмазов делают прочные, острые инструменты и шлифовальные круги, а синтетические камни используются в электронике, медицине и научных исследованиях. Благодаря своей устойчивости к радиации алмазы используются даже на космических станциях.
Инструменты и комплектующие
Твердость алмаза и его способность рассеивать тепло используются в производстве инструментов и оборудования для строительства и промышленности, а также в производстве технических компонентов.
Например, при производстве сверхзвуковых самолетов компоненты, которые могут перегреваться, покрываются алмазом или вставляются в корпус с покрытием. Алмаз быстро отводит избыточное тепло и тем самым предотвращает преждевременный выход из строя.
Алмазное покрытие отрезных кругов, ножей, сверл и шлифовальных машин также предотвращает нагрев, вызванный абразивным износом, и позволяет обрабатывать материалы с высокой твердостью:
- металлами;
- бетонными изделиями;
- натуральным камнем твердых пород.
Алмазная пыль не только обеспечивает сохранение остроты и долговечности инструмента, но и сокращает время, необходимое для обработки.
Телекоммуникации
Передача сигналов по кабелям может нарушаться из-за колебаний напряжения и температуры. Кроме того, передача сигналов с разными частотами по общей кабельной линии должна быть уточнена. Алмазные кварцевые кристаллы устойчивы к перегреву и низким температурам, на них не влияют колебания напряжения. Они также позволяют одновременно передавать несколько сигналов с разными частотами по одному кабелю.
Медицина
Алмазы используются в здравоохранении и медицине и служат основой для высококачественных инструментов и оборудования. Он также используется в производстве специального медицинского белья.
- Камни используют для создания медицинских лазеров, широко применяемых в косметологии, стоматологии и хирургии.
- Хирургические скальпели с алмазным напылением длительно остаются острыми, позволяя осуществлять аккуратные, точные надрезы. Их активно применяют в нейрохирургии и при проведении полостных исследований.
- Стоматологические боры также покрыты алмазной пылью для аккуратного препарирования зубной эмали.
- Специальное алмазное белье оказывает стимулирующее воздействие на процесс кроветворения и циркуляции крови и лимфы в клетках тела.
Прочность и химическая инертность алмаза делают его незаменимым компонентом для медицинских нужд. Инструменты сохраняют свои высокие эксплуатационные характеристики в течение долгого времени и не вступают в реакцию с жидкостями организма, лекарствами и дезинфицирующими средствами.
Ядерная промышленность
В этой области используются два свойства алмаза: для обеспечения высокой точности приборов и в качестве измерительного прибора для ядерного излучения. Последнее основано на явлении ярких вспышек при проникновении ионов в структуру алмаза.
Где используется алмаз
Оказывается, возможности использования этого минерала огромны. Алмазы перерабатываются не только в камни различных форм и размеров, но и в алмазную крошку и порошок. Практически нет такой области промышленного производства и науки, которая исключала бы использование алмазов. Невозможно подробно рассмотреть все аспекты этого минерала, но вполне возможно получить общее представление и понять, для каких целей используются алмазы
Медицина
Наиболее важным целевым сектором является производство высокоточных хирургических устройств с алмазным покрытием. Тонкие и острые полые срезы позволяют хирургам максимально эффективно проводить сложнейшие операции на сердце и других жизненно важных органах. Хирургические инструменты очень износостойки и практически никогда не тупятся.
Алмаз является хорошим проводником, и благодаря этому свойству минерал можно использовать в составе медицинского лазера. Тонкое алмазное покрытие позволяет использовать эти приборы в различных областях медицины.
Использование алмазной дермабразии в косметологии позволяет проводить шлифовку лица. Алмазная шлифовка мягко удаляет кератинизированный слой кожи, устраняя пигментные пятна и акне. Затем полировка доводит кожу до состояния, близкого к идеальному. Процедура настолько мягкая и нежная, что можно также обрабатывать кожу вокруг глаз и губ.
Как алмаз используется в инновационных технологиях современной медицины? Разработки ученых из Санкт-Петербурга открыли новую страницу в медицинской диагностике с помощью алмазов. Синтетические супердисперсные алмазы (SDD) используются в инновационных тест-системах для диагностики инфекционных заболеваний. Антигены-маркеры фиксируются на специальных наноносителях, в состав которых также входят СДД. Например, UDa, сыворотку крови пациента и антиген сифилиса смешивают в стакане, и через 15 минут четко видна реакция агглютинации. Чувствительность метода составляет 95 %, а специфичность — 100 %.
Американские специалисты используют синтетические наноалмазы в стоматологии для защиты корневых каналов после удаления нерва и пульпы. В этом случае выздоровление пациентов значительно ускоряется.
С созданием новых структур на основе алмазов расширяются границы применения минерала в медицине.
Промышленность
Применение алмазов в промышленности очень многогранно. Их особые свойства — твердость, теплопроводность и др. — играют в этом важную роль.
Приборостроение и промышленное оборудование
Фрезерные, токарные и другие станки используются в производстве очень сложных деталей для машин всех видов. Металлические ножи, фрезы и шлифовальные инструменты также выпускаются с алмазным напылением. Длительный срок службы и высокая точность обработки — вот основные характеристики насадок и блоков с алмазным напылением.
До недавнего времени сверла и резцы изготавливались только с алмазным покрытием. Со временем их заменили другие, более дешевые материалы или синтетические монокристаллы.
Высокая твердость алмаза привела к его использованию в соплах для гидроабразивной резки и соплах для производства полимерных волокон.
Основные свойства алмаза
Алмаз — это твердая аллотропная модификация углерода:
- самую высокую твердость по шкале Мооса (10 из 10);
- высокую теплопроводность — 900-2300 Вт/м К;
- низкий коэффициент трения — 0,1;
- высокий модуль упругости и низкий коэффициент сжатия;
- температуру плавления 3700-4000 °С.
Наличие люминесценции заставляет минерал светиться разными цветами на солнце, что особенно ярко проявляется при огранке алмаза.
Большинство природных алмазов бесцветны или желты, но встречаются также розовые, голубые и коричневые минералы.
Синтетические алмазы
В последние годы синтетические алмазы (CVD или HPHT) стали особенно важными и широко распространенными. Однако термин «синтетический» в данном случае не совсем корректен. Физические свойства алмаза, а также его структура соответствуют природному аналогу, но он выращен искусственно, хотя и не содержит никаких посторонних синтетических материалов. В промышленности искусственные кристаллы составляют до 97% (от общей массы используемых алмазов).
Попытки создания кристаллов предпринимались еще в XIX веке, но только в 1953 году была построена специальная машина и получены первые кристаллы.
Чем режут алмаз
Если алмазные инструменты используются для огранки других твердых материалов, то как и чем можно огранить сам алмаз?
Алмазы режутся собственными инструментами. Для этого используется лучшая циркулярная пила с алмазным наконечником. Процедура проводится в течение нескольких часов в направлении наименьшей твердости. Скорость резки минимальна.
С появлением инновационных технологий все большее распространение получает лазерная резка.
Алмаз — это не только красивый минерал, но и минерал с особыми свойствами. По этой причине ювелирные украшения — лишь малая часть его функциональности. В медицине, электронике, приборостроении и т.д. границы применения этого материала раздвигаются все дальше и дальше.
Современные технологии выращивания кристаллов и создание искусственных наноматериалов позволяют значительно расширить спектр применения этого прочного и оптически активного минерала.
