Kim cương được tạo ra như thế nào?

12

Kim cương được tạo ra như thế nào?

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
F. F. VORONOV

Kim cương. - Nó sẽ kết thúc bằng việc chúng được sản xuất!

• Và nghĩ rằng điều này chẳng qua là một ân huệ!

G. Flaubert. Từ vựng về những sự thật chung

Từ xa xưa, kim cương đã thu hút mọi người bởi vẻ đẹp của những tinh thể phức tạp, độ sáng chói và khả năng sáng tạo quyến rũ của chúng. Những viên kim cương lớn trang trí cho các địa vị liên quan, vương trượng của các vị vua và vũ khí của giới quý tộc. Chúng được đặt tên, chúng được mua với số tiền lớn, chúng sống rất lâu và được sử dụng để giải quyết các xung đột quốc gia.

Từ xa xưa, con người đã tìm cách lấy được một viên kim cương trong phòng thí nghiệm. Các nhà hóa học nghiền và nung hỗn hợp lưu huỳnh, thủy ngân và các chất khác trong “nhiệt kép” - nhưng vô ích.

Chỉ sau khi thuật giả kim được thay thế bằng hóa học thực tế bằng các phương pháp nghiên cứu định lượng vào thế kỷ 16 và 17, bản chất của kim cương mới được khám phá.

Năm 1797, người Anh S. Tennant đã chứng minh rằng viên kim cương khi đốt trong oxy sẽ biến đổi hoàn toàn thành carbon dioxide. Từ đó, kim cương bao gồm các nguyên tử cacbon. Điều trở nên rõ ràng là: để có được một viên kim cương, cần phải cắt nó ra khỏi than chì hoặc các chất có chứa cacbon khác.

Nhưng làm thế nào để bạn có được các nguyên tử cacbon để tạo thành tinh thể kim cương? Những điều kiện cần thiết cho việc này?

Các nhà khoa học biết rằng kim cương, ổn định ở nhiệt độ bình thường, sẽ biến thành than chì khi đun nóng mà không tiếp cận với không khí. Điều này gợi ý rằng sự biến đổi ngược cũng nên được thực hiện ở nhiệt độ cao. Nhưng làm thế nào để gây ra sự biến đổi này, làm thế nào để than chì biến thành kim cương?

Từ việc so sánh mật độ của than (1,3 × 10³ kg/m³), than chì (2,2 × 10³ kg/m³) và kim cương (3,5 × 10³ kg/m³), theo đó, để thu được kim cương, than và than chì phải được nén chặt hoặc phải áp dụng áp suất cao.

14

Hình 2. Kim cương thu được từ Moissan (phác họa). 1-4 - kim cương đen; 5, 6 — kim cương màu vàng; 7 - nước tinh khiết, không màu; 8, 9 - không màu có chấm đen; 10, 11 - không màu; 12 - trưởng thành, tương tự như kim cương Brazil; 13 - viên kim cương có hình dạng đều đặn.

hồ quang điện làm nóng nồi nấu kim loại và các chất đặt trong đó đến nhiệt độ rất cao.

Moissan quyết định sử dụng lò nhiệt độ cao của mình để sản xuất kim cương. Anh ta khoét một lỗ ở đáy lò và đặt một bình chứa nước bên dưới. Trong lò, sắt bị nấu chảy, bão hòa cacbon và những giọt sắt nóng chảy bão hòa cacbon này rơi vào nước lạnh. Các lớp bên ngoài của giọt nước nhanh chóng nguội đi và bị nén lại, tạo áp lực rất lớn lên lớp bên trong của bàn ủi, lớp này vẫn chưa kịp nguội. Kết quả là những quả bóng sắt hòa tan trong axit. Các tinh thể nhỏ có hình dạng đều đặn hoặc ít hơn lên tới 0,5-0,7 mm (hình 2) được tìm thấy bên trong các quả bóng. Những tinh thể này rất cứng và phân tích hóa học - phân hủy trong oxy - cho thấy chúng bao gồm carbon nguyên chất.

Bốn tinh thể có màu đen, hai tinh thể màu vàng và phần còn lại không màu. Những viên pha lê có chấm đen chứa đầy kim cương Brazil. Một chiếc có hình dạng đặc biệt đều đặn. Tinh thể “nước tinh khiết” của Moissan được gọi là “regenote”.

Việc sản xuất admases trong phòng thí nghiệm gây ra cảm giác yên bình. Tuy nhiên, nhiều nỗ lực của các nhà khoa học khác nhằm lặp lại thí nghiệm của Moissan đều không thành công. Chỉ có giáo sư người Đức Ruff mới thu được một tinh thể nhỏ có kích thước 0,05 mm, được công nhận là kim cương dựa trên trọng lượng riêng của nó, phát sáng trong tia cực tím và đốt cháy oxy.

Có những nhà khoa học nổi tiếng khác tham gia vào việc “tạo ra kim cương”. N.V. Karazin ở Nga (1823), Cagnard-Latour và Gannalem ở Pháp (1829) bằng cách “đốt than” thu được các tinh thể tương tự như kim cương, nhưng hóa ra chúng lại là cacbua - hợp chất của kim loại với carbon. Ở Nga, K. D. Khrushchev (1893) đã cố gắng thu được kim cương bằng cách kết tinh carbon từ bạc nóng chảy ở áp suất khí quyển và cũng thu được tinh thể cacbua.

Tất cả điều này là mù Nhật Bản.

Lần đầu tiên, các điều kiện hình thành kim cương được xác định trong công trình của nhà vật lý Liên Xô O.I. Leypunsky, người vào năm 1931 đã tính toán áp suất và nhiệt độ cần thiết cho sự biến đổi than chì thành kim cương.

Bình luận về tính toán của mình, O.I. Leypunsky viết: “Đầu tiên, cần nung nóng đồ thị không dưới 2000 độ để các nguyên tử carbon có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Thứ hai, nó phải được nén với áp suất đủ lớn, không dưới 60 nghìn atm [≈6 GPa]. Sau đó, nó chắc chắn sẽ biến thành một viên kim cương, giống như một hòn đá ném bằng tay chắc chắn sẽ bay từ mặt đất lên không trung”. Đường cong cân bằng giữa đồ thị và viên kim cương, được tính toán bởi O.I. Leypunsky, được mô tả trên hình 3. Trục hoành biểu thị áp suất tính bằng GPa và trục tọa độ biểu thị nhiệt độ tính bằng GPa.

15

độ Kelvin. Trường nằm bên phải đường cong cân bằng và bao phủ vùng áp suất cao tương ứng với điều kiện ổn định của kim cương. Trường bên trái của đường cong tương ứng với các điều kiện ổn định của than chì. Điều này có nghĩa là nếu các quá trình giải phóng carbon (ví dụ, do phản ứng hóa học hoặc kết tủa từ dung dịch) xảy ra ở nhiệt độ và áp suất tương ứng với trạng thái cân bằng, thì carbon sẽ được giải phóng đồng thời dưới dạng kim cương và than chì. Một viên kim cương được đặt trong điều kiện ổn định bằng than chì (trường bên trái) sẽ biến thành than chì và than chì được đặt trong điều kiện ổn định bằng kim cương (trường bên phải) sẽ biến thành kim cương. Tuy nhiên, những biến đổi này ở nhiệt độ phòng xảy ra rất chậm. Vì vậy, trong điều kiện bình thường, kim cương tồn tại hàng triệu năm. Khi đun nóng, tốc độ biến đổi tăng lên. Ở nhiệt độ 1800 K và áp suất khí quyển, kim cương chuyển sang màu đen và nhanh chóng biến thành than chì. Nhiệt độ 1800 K được gọi là nhiệt độ than chì hóa của kim cương. Việc biến đổi than chì thành kim cương ở nhiệt độ phòng không thể đạt được ngay cả khi than chì chịu áp suất cao tới 40 GPa. Nguyên nhân thất bại là tốc độ biến đổi thấp bất thường ở nhiệt độ phòng. Để thu được lượng kim cương đáng kể trong những điều kiện này, quá trình này phải mất hàng triệu năm. Chỉ ở nhiệt độ 3000 K và áp suất 12 GPa người ta mới có thể thu được tinh thể kim cương không dây nguyên bản từ than chì.

Rất khó để cung cấp các điều kiện cho quá trình chuyển đổi trực tiếp của than chì → kim cương chưa cắt, vì vậy các quy trình khác được sử dụng để sản xuất kim cương - ví dụ, giải phóng carbon từ dung dịch trong kim loại lỏng (ví dụ: sắt), đòi hỏi áp suất và nhiệt độ cao hơn. Rõ ràng là trong trường hợp này vùng làm việc (giá trị $T$ và $p$) phải đồng thời là vùng ổn định

Hình 3. Đường cong cân bằng than chì-kim cương, được tính toán bởi O.I. Leypunsky và vị trí của các nguyên tử cacbon trong kim cương và than chì. Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử carbon chứa liên kết cộng hóa trị mạnh với bốn nguyên tử lân cận, nằm ở vị trí bằng nhau trong không gian. Điều này là do độ cứng cao của kim cương.

Trong tinh thể đồ thị, mỗi nguyên tử carbon chứa liên kết cộng hóa trị mạnh với các nguyên tử ba giếng nằm trong cùng một lớp. Khoảng cách lớn và sự kết nối yếu giữa các lớp quyết định tính chất cơ học “thấp” của than chì.

kim cương và vùng tồn tại của sắt lỏng. Để xác định diện tích này, chúng ta hãy vẽ đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy của sắt vào áp suất ở hình 3 (đường màu xanh lam). Như có thể thấy trên biểu đồ, carbon sẽ được giải phóng khỏi sắt nóng chảy dưới dạng kim cương ở áp suất $p \geqslant 6$ GPa. (Nếu trong thí nghiệm của Moissan, áp suất lớn hơn 6 GPa xuất hiện khi không có một giọt sắt, thì anh ta có thể thu được kim cương! Chúng tôi ủng hộ-

16

Hình 4. Thiết bị cao áp dạng khối.

Chúng tôi tin vào giả định này ở phần cuối của số liệu thống kê.

Việc tạo ra áp suất cao như vậy để phù hợp với nhiệt độ cao tỏ ra khó khăn. Những nỗ lực của nhà khoa học người Mỹ P. Bridgman, người sáng lập ngành vật lý áp suất cao, nhằm thu được kim cương trong phòng thí nghiệm đã thất bại vào năm 1940. Chỉ đến năm 1955, báo chí mới đưa tin rằng một nhóm các nhà khoa học Mỹ do F. Bundy đứng đầu đã thu được những viên kim cương đầu tiên.

Ở Liên Xô, vấn đề thu được kim cương nhân tạo đã được giải quyết vào năm 1960 bởi một nhóm nhân viên của Viện Vật lý Áp suất cao thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, đứng đầu là Viện sĩ L.F. Vereshagin. Vào năm 1961, 2000 carat (1 carat = 2·10⁻⁴ kg) kim cương đã được sản xuất và hiện nay ngành công nghiệp của chúng ta sản xuất hàng trăm nghìn carat kim cương mỗi năm.

Thiết bị đặc biệt đã được phát triển để sản xuất công nghiệp kim cương nhân tạo. Trước khi làm quen với nguyên lý hoạt động của nó, chúng ta hãy nói về cách tạo ra áp suất cao.

Chúng ta hãy thực hiện thí nghiệm sau đây trong đầu. Đổ nước vào cốc thép có thành dày có đường kính trong 10 cm và lắp một pít-tông có bịt kín. Bằng cách đẩy piston vào kính, chúng ta sẽ lướt qua nước. Để giảm thể tích của nó đi 18%, chúng ta sẽ phải tác dụng một lực rất lớn lên piston - 7,8 MH!

Trong trường hợp này, áp suất trong nước sẽ bằng 1 GPa, gấp 10.000 lần áp suất khí quyển. Ở áp suất và nhiệt độ phòng này, nước sẽ đông đặc lại. Trong phạm vi áp suất 1-2 GPa, tất cả các chất lỏng và pít-tông thép ban đầu sẽ sụp đổ, do ứng suất cơ học trong chúng vượt quá độ bền kéo của thép.

Áp suất cao hơn có thể đạt được nếu chất rắn.

Chúng ta hãy tác dụng lực lướt lên hai gam đối diện của một khối vật chất rắn. Sau đó, bên trong khối lập phương, theo một dòng chảy vuông góc với các lực tác dụng, một ứng suất cơ học $\sigma = F/S$ sẽ phát triển, trong đó $F$ là độ lớn của lực, $S$ là diện tích của khối. Khi ứng suất này vượt quá độ bền kéo của vật liệu dốc của khối lập phương, nó sẽ sụp đổ. Nhưng nếu mỗi cặp gam đối diện của khối lập phương đồng thời chịu tác dụng của các lực lướt hoàn toàn giống nhau, thì các ứng suất giống hệt nhau $\sigma_1$, $\sigma_2$, $\sigma_3$ sẽ xuất hiện trong khối ở ba phần vuông góc với nhau và ngay cả trong điều kiện lướt qua cao nhất, khối lập phương sẽ không sụp đổ. Trạng thái đồng nhất này tạo ra áp suất toàn diện $p = \sigma_1 = \sigma_2 = \sigma_3$ ở các vùng bên trong của khối.

Thiết bị áp suất cao hình khối được trình bày ở hình 4 hoạt động theo nguyên tắc này. Có sáu phần có hình dạng đặc biệt được gọi là poochsons, các đặc tính của chúng đồng thời với tâm theo các hướng vuông góc lẫn nhau. Các cú đấm loại bỏ hộp đựng - một khối vật liệu nhựa được đặt ở giữa thiết bị. Các puchsonar được ép bằng sáu piston của máy ép thủy lực. Máy ép được điều chỉnh sao cho các lực tác dụng lên các mặt khác nhau của khối luôn bằng nhau và áp suất toàn diện được tạo ra trong khối.

Các thiết bị đơn giản hơn thường được sử dụng, bao gồm hai puccsonara có lỗ xuyên qua một thùng chứa có hình dạng giống đậu lăng (hình 5).

Máy ép thủy lực mạnh nhất dành cho nghiên cứu khoa học, phát triển tới 500 MH, có tòa nhà cao nhiều tầng. Nó được sử dụng để tạo áp suất cao trong các thiết bị có thể tích lớn.

17

ema. Hầu hết máy ép đều được đặt dưới lòng đất và chỉ phần trên của máy ép có không gian làm việc đặt các thiết bị áp suất cao cao hơn mặt sàn. Một người có thể tự do dạo chơi trong không gian này.

Vật liệu dành cho những chú chó phải chịu được sức căng lớn là cacbua vonfram được kết dính bằng coban. Hợp kim siêu cứng này bền hơn thép rất nhiều.

Thùng chứa được làm từ khoáng chất đất sét pyrophyllite hoặc các vật liệu tương tự khác. Pyrophyllite là một chất dẫn điện phẳng. Điều này cho phép bạn có được nhiệt độ cao trong thùng chứa bằng cách sử dụng dòng điện để sưởi ấm.

Than chì và chất xúc tác kim loại (sắt, niken hoặc hợp kim của chúng) được đặt trong một thùng chứa và trộn giữa các con chó con. Khi có áp suất cần thiết ($p \geq 6$ GPa), một dòng điện sẽ chạy qua chó, làm nóng vật chứa trong hộp đến nhiệt độ cao. Bằng cách này, các điều kiện được tạo ra tương ứng với vùng p-T của sự hình thành kim cương.

Quá trình này được theo dõi bởi cường độ dòng điện chạy qua thiết bị. Kim cương không dẫn điện và sự hình thành của nó làm tăng điện trở của vật chứa bên trong và do đó làm giảm dòng điện qua thiết bị. Sau khi quá trình hoàn tất, tắt hệ thống sưởi, để bình chứa nguội, giảm áp suất và lấy bình chứa ra khỏi thiết bị.

Những viên kim cương thu được - những tinh thể có kích thước từ 1 milimet đến 1-2 milimét - được rửa trong axit để loại bỏ các hạt kim loại và than chì, được phân loại và gửi đi để chế tạo các công cụ kim cương.

Các nhà khoa học đã phát triển những cách khác để thu được kim cương và các sản phẩm của chúng. Nếu quá trình này có sự hiện diện của chất xúc tác (máy gia tốc) ở áp suất cao hơn, thì một số lượng lớn các tinh thể kim cương nhỏ được hình thành đồng thời, chúng cùng nhau phát triển thành một lớp phủ màu đen bền - carbonado. Carbonado mạnh hơn và có khả năng chống va đập tốt hơn kim cương thông thường.

2 Lượng tử số 10

Hình 5. Annarat gita “đậu lăng”.

Kim cương đa tinh thể có thể được sản xuất thành bất kỳ hình dạng mong muốn nào và do đó tránh được việc xử lý các khối kim cương tốn nhiều công sức. Để làm điều này, phôi làm bằng vật liệu chứa carbohydrate được tạo hình dạng theo yêu cầu, có tính đến độ co ngót, đặt trong lò sưởi dạng ống, phủ chất xúc tác dạng bột và cụm lắp ráp được đặt trong thùng chứa. Sau khi hình thành kim cương đa tinh thể, sản phẩm kim cương thành phẩm có hình dạng nhất định sẽ được lấy ra khỏi thùng chứa - ví dụ: ở dạng máy cắt. Tất cả những gì còn lại là mài lưỡi cắt, cố định nó vào giá đỡ và đặt nó lên máy. Máy cắt kim cương có độ bền cao hơn hàng trăm lần so với máy cắt thông thường. Chúng tạo thành hợp kim cứng, kim loại và nhựa. Máy cắt kim cương hoạt động ở tốc độ cực lớn và mang lại độ sạch bề mặt cao.

Tinh thể kim cương được thiêu kết bằng liên kết kim loại được sử dụng để tạo bụi và đá mài để cắt và xử lý kim loại cứng, than chì và đá.

Mũi kim cương và mũi khoan được sử dụng khi khoan giếng trong đá. Đồng thời, tốc độ khoan trở lại hơn gấp đôi và chi phí công việc giảm 40-60%.

Không thể liệt kê hết các nghề kim cương, vì hiện nay có hơn 5.000 loại công cụ kim cương được sản xuất. Người ta ước tính rằng mọi người

18

Một carat kim cương tiết kiệm cho nền kinh tế quốc gia khoảng 100 rúp, và toàn bộ số tiền tiết kiệm được trên cả nước lên tới hàng triệu rúp mỗi năm.

Diamond đã được chứng minh là giúp ích cho các nhà khoa học trong nghiên cứu ở áp suất cao. Trong các thiết bị đe, kim cương thu được áp suất cực lớn hàng triệu atm (100 GPa), và vì kim cương trong suốt với ánh sáng, tia RENTThen và các loại bức xạ khác, nên các nhà khoa học có thể thấy điều gì xảy ra với chất đó ở những áp suất này và nghiên cứu nó bằng tia RENTThen.

Gần đây, tại Viện Vật lý Áp suất cao được đặt theo tên L.F. Vereshchan của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, người ta đã thu được kim cương bán dẫn và một nhiệt điện trở của thiết bị điện tử, một cảm biến nhiệt có độ nhạy cao, đã được tạo ra trên cơ sở chúng.

Như vậy, một lĩnh vực hoạt động mới đã mở ra cho viên kim cương do bàn tay con người tạo ra - thế giới điện tử.

Moissan có lấy được kim cương không?

Chúng ta hãy ước tính những áp suất nào có thể được tạo ra khi làm mát bên trong các giọt sắt trong thí nghiệm Myaccana. Hãy tưởng tượng một giọt nước làm mát như vậy dưới dạng một lớp vỏ hình cầu cứng - một lớp vỏ bằng sắt đặc, bên trong có sắt lỏng bão hòa cacbon.

Khi nhiệt độ thay đổi từ $T_1$ đến $T_2 = T_1 + \Delta T$, thể tích của vỏ sẽ thay đổi từ $V_1$ thành $V_2 = V_1(1 + \alpha \Delta T)$,

trong đó $\alpha$ là hệ số giãn nở nhiệt thể tích. Sự thay đổi tương đối về khối lượng là:

$$\frac{\Delta V}{V_1} = \frac{V_2 - V_1}{V_1} = \alpha \Delta T.$$

(1)

Khi làm mát ($\Delta T < 0$), lớp vỏ sẽ giảm thể tích và nén vào tâm chất lỏng của giọt. Sự thay đổi tương đối về thể tích của giọt nước sẽ là $\Delta V/V_1$. Hãy xác định xem áp suất nào sẽ xuất hiện bên trong bàn ủi lỏng với độ dốc như vậy.

Chúng ta hãy nhớ rằng ứng suất cơ học phát sinh khi hình ảnh bị kéo dài tỷ lệ thuận với độ giãn dài tương đối:

$$\sigma = E \frac{\Delta l}{l_0},$$

trong đó hệ số tỷ lệ $E$ là mô hình Young.

Một mối quan hệ tương tự giữa áp suất phát sinh trong quá trình sụp đổ nhanh chóng của hình ảnh và sự thay đổi tương đối về âm lượng:

$$p = -B \frac{\Delta V}{V_1},$$

(2)

trong đó hệ số tỷ lệ $B$ được gọi là mô hình đàn hồi thể tích. Nó, giống như $\sigma$, có thứ nguyên là áp suất. Zakumnus cho thấy khối lượng giảm với độ dốc như vậy.

Dẫn tới sự gia tăng áp suất bên trong giọt nước.

Thay (1) vào (2), chúng ta thu được biểu thức cho áp suất bên trong giọt làm mát:

$$p = -B \alpha \Delta T.$$

(3)

Chúng ta hãy thực hiện một ước tính bằng số cho đại lượng này.

Lớp vỏ của sắt rắn, được hình thành khi một giọt rơi vào nước, được làm nguội từ nhiệt độ nóng chảy (đóng rắn) của sắt 1811 K đến nhiệt độ nước mà chúng ta sử dụng bằng 293 K (20 °C), tức là

$$\Delta T = -1518 \text{ K} \approx -1,5 \cdot 10^3 \text{ K}.$$

Giá trị hệ số giãn nở nhiệt thể tích được sử dụng:

$$\alpha = 35 \cdot 10^{-6} \text{ K}^{-1}.$$

Mô đun đàn hồi khối của sắt lỏng bằng mô đun đàn hồi khối của sắt rắn:

$$B = 168 \text{ ГПа}.$$

Thay thế những dữ liệu này vào công thức (3), chúng ta thu được các giá trị áp suất bên trong giọt làm mát:

$$p = -B \alpha \Delta T = (168 \cdot 35 \cdot 10^{-6} (-1,5 \cdot 10^3)) \Gamma \Pi a \approx 8,9 \text{ ГПа}.$$

Áp suất này lớn hơn 1,5 lần so với áp suất cần thiết để kết tủa carbon từ sắt nóng chảy dưới dạng kim cương.

Tất nhiên, đánh giá của chúng tôi chỉ mang tính tương đối. Ví dụ, chúng tôi không tính đến sự khác biệt về nhiệt độ giữa các tính chất bên trong và bên ngoài của sắt nguyên chất và dung dịch cacbon bão hòa trong sắt; chúng tôi đã không tính đến tỷ giá hối đoái giảm trong quá trình đông cứng sắt, cũng như độ bền và độ đàn hồi của vỏ, làm tăng nhẹ thể tích của nó dưới tác động của áp suất tạo ra, v.v.

Những yếu tố này có tác động khác nhau đến giá trị áp suất thiết kế. Tuy nhiên, có thể dự kiến ​​rằng việc tính đến chúng một cách tổng thể sẽ không làm thay đổi đáng kể kết quả.

Vì vậy, đánh giá của chúng tôi cho thấy Myaccana có thể đã hình thành kim cương trong các thí nghiệm.