Первые тысячи каратов

Президент Академии наук СССР М. В. Келдыш писал: «Одним из крупнейших по своему значению для народного хозяйства достижений является синтез искусственных алмазов. Как известно, в Академии наук СССР был разработан метод получения искусственных алмазов и созданы камеры высокого давления, принятые в настоящее время промышленностью как основа метода. Правильный путь был найден и при организации внедрения достигнутых научных результатов в промышленность совместно с Украинским научно-исследовательским институтом синтетических сверхтвердых материалов и инструментов. В настоящее время осуществляется получение алмазов в промышленных масштабах. Мы все глубже и глубже осознаем значение этого открытия для народного хозяйства. Оно приводит, в частности, к техническому перевороту в металлообрабатывающей промышленности. Ученые Академии теперь разрабатывают способы выращивания еще более крупных кристаллов алмаза, а также работают над созданием других сверхтвердых материалов».

Сегодня наша страна обеспечивает себя синтетическими алмазами превосходного качества. И в этом — громадная заслуга советских ученых, инженеров, рабочих.

Одним из основных условий синтеза алмазов является, как известно, высокое давление. Оно — подлинный чудодей! Под большим давлением коренным образом меняются характеристики многих материалов. Например, такие хрупкие вещества, как мрамор, серый чугун, каменная соль, будучи подвергнуты сжатию, становятся пластичными; их можно . . . ковать под молотом. Мрамор — на наковальне!

Обычный лед плавится при 0 градусов. Но лед, обработанный сжатием при 40 тысячах атмосфер, расплавится только при +109 градусах.

Что же происходит в недрах материалов, подвергнутых сверхвысоким давлениям?

По мере роста сжатия межатомные расстояния сокращаются. Все сильнее и сильнее начинают проявлять себя силы взаимного отталкивания — материал «изо всех сил» сопротивляется натиску извне. Но последний неумолимо нарастает. Уже ликвидированы все свободные расстояния между молекулами, очередь дошла и до промежутков между атомами молекул. В результате этих событий происходит существенное изменение его кристаллической структуры.

Простейшим устройством для создания давления является цилиндр и поршень. Но при значительных усилиях цилиндр испытывает такие растягивающие нагрузки, что не выдерживает их и разрушается. Наибольшие давления, полученные с помощью поршневого гидравлического пресса, составляют примерно 30—40 тысяч атмосфер — величина, недостаточная для синтеза алмазов.

Поэтому создали специальную установку — она именуется кубической. В ней огромное давление (примерно 100 тысяч атмосфер) передается на крошечный кубик с исследуемым материалом при посредстве шести поршней. Другой разновидностью подобной установки явилась установка типа «белт» (пояс). Здесь специальные конические поршни сжимают исследуемый материал, заключенный в кольцеобразной камере. 200 тысяч атмосфер — вот какое давление удалось получить с помощью «белта»!

В Институте физики высоких давлений Академии наук СССР установка для синтеза алмазов оснащена рентгеновской камерой, позволяющей наблюдать за тем, что происходит в недрах кристаллической решетки материала во время его сжатия и нагревания. Удалось проникнуть взором исследователя в чудесные перемещения «кирпичиков» материала — атомов. Например, в кубическом кристалле хлористого рубидия атомы хлора и рубидия в обычных условиях «сидят» в центрах граней куба, т. е.  образуют кристаллическую решетку с центрированными гранями. Но при давлении в 5 тысяч атмосфер и нормальной температуре атомы покидают свои места в центре граней и «переселяются» в центры кубов. Повышение температуры и давления еще более видоизменяет внутреннее строение кристаллов рубидия.

Как же работает установка для синтеза алмазов?

«Производится загрузка аппарата. Замыкаются бронированные двери. Электромотор начинает вращать компрессор. Дальнейшее управление осуществляется дистанционно. Манганиновые проволочки, введенные в аппарат, передают сигналы растущего давления, термопары регистрируют температуру. Как представить себе зрительно это мощное нарастание давления? Вообразим себе давление в фундаменте высокой водяной колонны, высокого водяного столба. Колонна растет все выше, вот она проходит за пределы атмосферы и касается главной орбиты спутника. . . Выше, выше . . . Еще выше . . . Много выше! А тем временем нарастает температура. В недрах аппарата масса нагревается сначала до вишнево-красного каления, а затем все ярче — до слепящего свечения электрической лампочки. В аппаратуре, за толщей напряженного металла, происходит великое таинство рождения алмазов.