Как с помощью конфигурации атомных дефектов создать цветной бриллиант

«Первые в России крупные алмазы были получены вот в этой комнате», — начал рассказ о своей научной деятельности доктор физико-математических наук, основатель компании «ВЕЛМАН» Виктор Винс, к которому «Деловой квартал» пришел в гости, чтобы поговорить о выращивании бриллиантов и о том, почему Винс и команда перестали этим заниматься и перешли на другую сторону науки.

Еще в самом начале 1990-х группа ученых смогла создать условия для выращивания крупных качественных монокристаллов, заинтересовав и растревожив своими открытиями монополиста международного алмазного рынка — частную компанию De Beers. А спустя еще несколько открытий новосибирские ученые и вовсе «напугали» сообщество идеей создания мемориальных алмазов — из праха человека. Виктор Винс поделился с «ДК» историей своего изобретательского пути.

Первый в СССР большой алмаз

— Первые в СССР крупные (6-7 мм) и качественные монокристаллы выращенного алмаза были получены и исследованы в Новосибирске в Конструкторско-технологическом институте монокристаллов СО АН СССР группой технологов в составе Фейгельсона, Патренина, Патрина, Нехаева, Винса (руководитель — Борис Фейгельсон) в 1990 г. До этого в СО АН СССР уже получали кристаллы алмаза, но размер их не превышал 1-2 мм. В течение двух недель на беспрессовом аппарате «Разрезная сфера» (БАРС) нам удалось получить и исследовать свойства кристаллов размером 6-7 мм. В 1991 г. в ведущих научных изданиях мы опубликовали две работы с результатами наших исследований. Естественно, с указанием размеров кристаллов — самых крупных на тот момент в стране.

Алмаз выращивается из углерода, одна из его форм — это графит, который мы и используем в качестве сырья. В алмаз углерод переходит под воздействием высокого давления и температуры. Ноу-хау заключалось в том, что был выбран новый материал контейнера — ростовой ячейки аппарата, в котором под воздействием высокого давления и высокой температуры растет алмаз. До этого использовались такие контейнеры, которые не выдерживали длительной нагрузки давления и температуры, поэтому кристаллы имели малый (редко более 2 мм) размер. То есть нами был найден новый материал контейнера, который в течение длительного времени поддерживал стабильные параметры роста. И как только это было достигнуто — параметры роста могли часами и даже сутками поддерживаться в стабильном состоянии — кристаллы начали расти. В течение недели мы вырастили сначала трехмиллиметровый кристалл — это было большим достижением. А к концу второй недели — уже 7 мм. Это был самый большой на тот момент выращенный алмаз в стране, из него сделали первый в Советском Союзе бриллиант. Мы даже не верили, что его можно огранить, но наши коллеги из Барнаула сделали бриллиант 0,46 карата, он был коричневато-желтый, и нам он казался фантастически красивым!

«Угроза» мировому алмазному рынку. Интерес De Beers

— В октябре 1993 г. я получил приглашение от мировой алмазной монополии, компании De Beers, посетить их подразделения в Великобритании и ЮАР. Как было сказано в приглашении: «…учитывая Ваш огромный вклад в создание технологии выращивания и исследования монокристаллов синтетического алмаза».

Компания De Beers — транснациональный гигант, который сам добывал алмазы и скупал алмазы у всех других производителей. В итоге у De Beers был сток, и все, кто хотел купить алмазы для огранки в бриллианты, приезжали к ним в Лондон. Они существуют с конца 19 века, и именно они придумали всю «бриллиантовую» идеологию: «Бриллианты — это навсегда», «Лучшие друзья девушек — это бриллианты» — это все их слоганы. Весь алмазный мир держался на созданном ими мифе, что алмаз — это что-то уникальное, что миллиард лет лежало в земле, потом как-то было вынесено на поверхность и нашло своего потребителя. К современному миру это не очень применимо, потому что есть огромное количество компаний, которые просто выращивают алмазы на потоке, особенно, кстати, в этом преуспели наши отечественные производители и специалисты из КНР и Индии.

Природные кристаллы, конечно, ценнее, и они до сих пор ценны, хоть выращенные ничем и не отличаются по составу и качеству. Например, однокаратный бесцветный бриллиант стоит от 10 до 15 тыс. долларов. А благодаря тому, что в мире их стали производить огромное количество, цена сильно упала — ниже тысячи долларов за карат.

Так вот, De Beers пригласили нас, потому что их интересовал уровень созданной нами технологии — насколько она представляла угрозу мировому алмазному рынку. Как пошутил один из брокеров Центральной сбытовой организации De Beers: «Предупредите заранее, когда у вас появятся десятикаратные камни, чтобы я успел переквалифицироваться в фермеры».

Конечно, на тот момент наша БАРС-технология никоим образом не могла угрожать монопольному положению De Beers — наши кристаллы не превышали 1,5 карата и имели не очень привлекательный коричневато-желтый цвет, обусловленный захватом большого количества атомов азота и никеля во время роста алмаза.

Атомная природа цвета

— Вершина алмазного рынка — это цветные камни, на них даже нет прейскурантов, это в основном аукционная цена, и самые дорогие из них — красные. В мире сегодня всего около 15 сертифицированных природных бриллиантов уникального фантазийного красного цвета, цена на которые просто астрономическая — как правило, больше миллиона долларов за карат.

До сих пор непонятно, чем обусловлен природный красный цвет алмаза. Я думаю, что это какая-то сдвиговая деформация, которую трудно «пощупать». За счет чего вообще возникает цвет? В решетке алмаза есть примеси: например, вместо одного или нескольких атомов углерода стоит один или несколько атомов азота. И такие конфигурации могут быть самыми разнообразными. Эти примесные дефекты как-то поглощают свет: когда свет идет через кристалл, что-то в этот момент поглощается, а что-то проходит, и вот это воспринимается глазом как цвет кристалла. Цвет любого твердого тела связан с поглощением атомных дефектов. Соответственно, красный цвет — это какие-то нарушения кристаллической структуры.

Поездка в De Beers заставила нас начать детально изучать все, что происходит на атомном уровне — буквально лезть в структуру камня и внимательно разбираться. Сначала были найдены условия получения кристаллов фантазийного желтого цвета. Одновременно с получением крупных монокристаллов проводились исследования влияния условий выращивания на свойства монокристаллов алмаза, в том числе на их цвет, чистоту.

Были найдены условия для получения кристаллов фантазийного желтого цвета в ростовых металл-углеродных системах: Fe-Ni-C и Fe-Co-C, в которых сплав металлов служит катализатором роста алмаза, то есть резко облегчает переход графита в алмаз. Варьируя условия выращивания, можно получать разные оттенки желтого цвета. Этот цвет в выращенных алмазах обусловлен тем, что из атмосферы захватывается атом азота и встраивается в решетку алмаза вместо атома углерода. В итоге кристалл приобретает желтый цвет, который варьируется от светло-желтого до коричневого, в зависимости от количества азота.

Установлено, что с помощью НРНТ-отжига (High Pressure/High Temperature — высокое давление, высокая температура) можно первоначальную «исправить» коричневато-желтую или даже коричневую окраску на фантазийную зеленовато-желтую при определенном наборе и оптимальной концентрации атомных дефектов.

Для красивых камней мы придумывали торговые марки: например, для бриллиантов с легкой коричневатостью — Fancy Honey Yellow, с оранжевой компонентой в окраске — Fancy Sunny Yellow.

Мы создавали и голубые алмазы — как с помощью добавок в ростовую среду ионов бора, так и с помощью радиационных дефектов. Вывели угольно-черные бриллианты: это технология, когда алмазы низкой чистоты облучаются огромными дозами электронов, чтобы зачернить видимые невооруженным глазом дефекты. Потом была отработана технология получения бриллиантов фантазийных розовых/красных окрасок путем облучения алмазов в комбинации с последующим отжигом.

А в 2004 г. мы разработали и запатентовали принципиально новую многоступенчатую технологию облагораживания (улучшения цвета) природных алмазов первоначального непривлекательного коричневого цвета. Последовательными воздействиями на структуру алмаза в виде НРНТ-отжига, а затем облучения в комбинации с еще одним отжигом удалось получить алмазы уникальной розово-красной гаммы, впоследствии получившие на мировом рынке торговую марку Imperial Red. Создание этой технологии фактически показало, что мы хорошо представляем, как движутся, а правильнее сказать, трансформируются атомные дефекты внутри кристаллической решетки. Естественно, это нас интересовало не с точки зрения создания бриллианта, а как фундаментальная задача инжиниринга дефектов в кристаллической структуре алмаза с целью получения кристаллов с наперед заданными свойствами.

Бриллиант из праха или свадебного букета

— В 2002 г. мы (Фейгельсон, Патренин, Винс) первыми в мире подали заявку на патент «дикой» идеи — делать алмазы из праха умерших. Заявка так и называлась «Способ мемориализации праха или части его». Дело в том, что продукт сгорания любой органики — это углерод. Из праха выделяется углерод, из которого уже выращивается алмаз. То есть это условно бриллиант из праха, на самом деле это тот же углерод, просто образовавшийся при сгорании (кремации) тела. Мы назвали лабораторно выращенные алмазы из биографита «мемориальными». По разным причинам мы не смогли довести эту заявку до патента. А сейчас в итоге этим активно занимается несколько компаний в США, Европе, а особенно популярно это в буддийских странах.

Кроме того, мы предложили делать сувенирные алмазы, полученные:

— из продуктов сгорания разных цветов (розы, азалии, сакуры и т.п.);

— травы стадионов, на которых играют команды-гранды мирового футбола;

— покрышек «Формулы 1»;

— свадебных букетов и так далее.

По сути, алмаз можно создать из любой сожженной органики.

Схлопывание рынка и переход к высокотехнологичным применениям лабораторно выращенных алмазов

— В 2012 г. я понял, что рынок искусственных алмазов для ювелирной отрасли схлопывается, и нужно переходить на что-то более серьезное. Когда мы начинали работать на этом рынке, стоимость синтетического или природного облагороженного бриллианта была от 5 до 10 тыс. долларов за карат, а потом — все меньше и меньше. В итоге практически сравнялась с себестоимостью производства таких камней в наших условиях. Каждый год приезжая на мировые «каменные» выставки-шоу, мы чувствовали эту тенденцию. Поэтому осознанно начали постепенно переходить на хай-тек-исследования алмазов. Так как у нас в компании работают физики, для нас это было и естественно, и более интересно.

Сейчас на хоздоговорной основе и в кооперации с нашими партнерами из ведущих университетов страны и институтов РАН мы ведем исследования атомных дефектов в структуре алмаза и возможностей хай-тек-применений алмазов, в частности:

— квантовых сенсоров на основе центров окраски;

— активных лазерных сред, увенчавшихся (впервые в мире) получением генерации на NV-центрах окраски;

— возможного дальнейшего появления разных типов лазеров;

— специальных пластин для мониторинга пучков СИ и элементов рентгеновской оптики.

Сейчас мы занимаемся преимущественно этими разработками. А бриллианты увы, хоть и очень красивы, нам уже неинтересны…

Фоторепортаж Егора Тиммермана