Добыча алмазов, несомненно, достаточно прибыльный бизнес, который может поддержать экономику любой страны. Но тем не менее, наверняка многим предпринимателям хотелось бы снизить затраты на этих драгоценных камней и этим самым еще увеличить доход алмазодобывающей отрасли. А что, если возможно получать алмазы синтетическим способом из графита?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе двух материалов – и графита. Многие еще из уроков помнят, что эти два, казалось бы, таких разных материала целиком и полностью состоят .
Алмаз представляет собой обычно прозрачный кристалл, но может быть и синим, и голубым, и красным, и даже черным. Это самое твердое и прочное вещество на Земле. Такая твердость обусловлена особым строением кристаллической решетки. Она имеет форму тетраэдра, и все атомы углерода находятся на одном расстоянии друг от друга. Графит же темно-серый с металлическим отливом, мягкий и совершенно непрозрачный. Кристаллическая решетка графита расположена слоями, в каждом из которых молекулы собраны в прочные , однако между слоями связь молекул достаточно слабая. То есть, по сути, разница между алмазом и графитом заключается в различном строении кристаллической решетки.
Получение алмаза из графита
Как таковое превращение графита в алмаз возможно. Это доказали еще ученые ХХ века. В 1955 г. был представлен отчет компании General Electric и синтезированы первые алмазы, правда, очень мелкие. Первым осуществил синтез исследователь компании Т. Холл. Для достижения таких успехов было применено оборудование, позволяющее создавать давление в 120 тыс. атмосфер и температуру в 1800°С.
Группой ученых из Allied Chemical Corporation было осуществлено прямое превращение графита в алмаз. Для этого были использованы более экстремальные условия по сравнению с предыдущими методами. Для создания на 1 микросекунду предельного давления в 300 тыс. атмосфер и температуры в 1200°С применялось взрывчатое вещество огромной мощности. В результате в образце графита обнаруживалось несколько мелких частичек алмаза. Данные о результате эксперимента были опубликованы в 1961 г.
Однако это были не все способы получения алмазов из графита. В 1967 г. Р. Уэнторф вырастил первый алмаз на затравке. Скорость роста оказалась достаточно низкой. Самый крупный алмаз Р. Уэнторфа, изготовленный данным методом, достиг размера в 6 мм и веса в 1 карат (примерно 0,2 г).
Современные методы синтеза алмазов из графита
Современные технологии позволяют получать алмазы из графита несколькими методами. Алмазы синтезируются в условиях, максимально приближенных к природным, а также с использованием катализаторов. Производится наращивание кристаллов алмаза в метановой среде, а мелкую алмазную пыль для производства различных абразивов получают методом взрыва взрывчатых веществ или проволоки большим импульсом тока.
Источники:
- 1 Сравните строение алмаза и графита и их физические свойства: твердость, оптические свойства, электропроводность
- Народные изобретения, технологии - История и технология получения алмазов
Человек уже давно и близко знаком с таким веществом, как . Этот минерал обладает множеством полезных свойств, позволяющих применять его в самых разных областях, начиная с повседневной жизни и заканчивая сложными фабричными процессами.
Название «графит» произошло от , которое можно перевести с древнегреческого языка как «пишу», « ». Такое наименование обусловлено тем, что именно из графита изготавливаются стержни для карандашей, которые уже не одно помогают людям излагать свои мысли на бумаге, рисовать и делать наброски для живописных полотен. Цвет у графита темно-серый или серовато-черный, также это обладает характерным блеском, сродни металлическому.
Графит представляет собой одну из форм, которые может принимать углерод, в зависимости от того, каким способом связаны друг с другом атомы этого элемента. Графит очень хорошо проводит электричество и обладает высокой устойчивостью к тепловому воздействию, плавится он при температуре более 3500оС. Этот минерал слабо подвержен воздействию кислот, особенно при и средних температурах, а уровень его диамагнетизма существенно превосходит нормальные показатели.
Твердый, играющий на свету алмаз и непрозрачный, легко отслаивающийся графит образно можно назвать родными братьями. Ведь в химическом составе того и другого присутствует единственный элемент – углерод. Выясним, почему, имея общее происхождение, эти минералы настолько не похожи друг на друга и чем отличается алмаз от графита.
Определение
Алмаз – минерал, основой которого является углерод. Характеризуется метастабильностью, то есть способностью в обычных условиях неограниченно долго существовать в неизменном виде. Помещение алмаза в специфические условия, например в вакуум при повышенной температуре, приводит к его переходу в графит.
Алмаз
Графит – минерал, выступающий модификацией углерода. При трении от общей массы вещества отделяются чешуйки. Наиболее известное применение графита – изготовление из него карандашного грифеля.
Графит Сравнение
Явление, при котором вещества имеют различные свойства, но образованы общим химическим элементом, называется аллотропией. Однако в природе, пожалуй, больше не найдется таких абсолютно разных аллотропных форм одного и того же элемента. Чем объясняется отличие алмаза от графита?
Решающую роль здесь играют особенности кристаллической структуры каждого из веществ. Скажем про алмаз. Связь между его атомами невероятно прочная. Это обусловлено способом их расположения относительно друг друга. Смежные атомные ячейки вещества имеют кубическую форму. Частицы расположены в углах ячеек, на их гранях и внутри них. Этот тип строения называется тетраэдрическим.
Ячейка алмаза Такая геометрия атомов обеспечивает наиболее плотную их организацию, благодаря чему алмаз становится твердым, не поддающимся деформации. Вместе с тем это хрупкое вещество, способное раскалываться от удара. Строением также обуславливается высокая теплопроводность алмаза и свойство его кристаллов преломлять свет.
Графит обладает иной структурой. На атомном уровне он состоит из пластов, расположенных в разных плоскостях. Каждый пласт составляют примыкающие друг к другу шестиугольники, подобно сотам. Связь между атомами, которые являются вершинами шестиугольников, сильна только в пределах каждого слоя. А атомы, находящиеся в разных слоях, практически независимы друг от друга.
Структура графита След от карандаша – это легко отделяемые слои графита. Вещество из-за особенностей строения поглощает свет, принимая достаточно невзрачный вид (но с металлическим блеском), и обладает электропроводностью.
Присущие минералам свойства определяют их пригодность в той или иной сфере. В чем разница между алмазом и графитом относительно их применения? Блистающий алмаз идеален для ювелирного производства. А твердость этого материала позволяет изготавливать из него качественные резцы по стеклу, суперпрочные сверла и другие востребованные изделия.
Графитовые стержни при протекании многих процессов играют роль электродов. Измельченный графит входит в состав минеральных красок и применяется как смазочный материал. А из смеси этого вещества и глины производят специальные емкости для плавки металлов.
Для обычного человека алмаз и графит – это два совершенно не похожих и никак не связанных друг с другом элемента. Алмаз вызывает ассоциации с переливающимися драгоценностями, вспоминается выражение «блестит как алмаз». Графит – нечто серое, то, из чего обычно делают карандашные грифели.
Трудно поверить, что оба минерала – это одно и то же вещество разной формы обработки.
Понятие и основные характеристики минералов
Алмазом называют прозрачный кристалл, не имеющий цвета, обладающий высокими характеристиками преломления света. Выделяют следующие основные свойства минерала:
Природа зарождает как алмазы определенных форм, так и в нескольких кристаллических формах, что обусловлено его внутренним строением. Ярко выраженные кристаллы имеют форму куба или тэтраэдра с плоскими гранями. Иногда грани кажутся рельефными из-за наличия невидимых глазу многочисленных наростов и преобразований.
Хотя многие считают алмаз самым прочным материалом на свете, но науке известно вещество превосходящее алмаз по прочности более чем на 11% — «гипералмаз».
Графит представляет собой кристаллическое вещество серо-черного цвета, обладающее металлическим блеском. По составу графит имеет слоистую структуру, его кристаллы состоят из мелких тонких пластинок. Это очень хрупкий минерал, напоминающий по внешнему виду сталь или чугун. У графита низкая теплоемкость, но высокая температура плавления. Кроме того, этот минерал:
На ощупь графит жирный, а при проведении по бумаге оставляет следы. Это происходит из-за того, что атомы кристаллической решетки слабо связаны.
Отличие графита от алмаза, особенности строения и процесс перехода одного минерала в другой
Алмаз и графит – аллотропные по отношению друг к другу минералы, то есть имеют различные свойства, но являются разными формами углерода. Их основное отличие заключается лишь в химическом строении кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка алмаза имеет вид тэтраэдра, в котором каждый атом окружен еще 4 атомами и является вершиной соседнего тэтраэдра, образуя бесконечное множество атомов, имеющих прочные ковалентные связи.
Графит на атомном уровне состоит из пластов шестиугольников с вершинами-атомами. Атомы хорошо связаны между собой только на уровне пластов, но пласты между собой сильной связи не имеют, что делает графит мягким и нестойким к разрушению. Именно эта особенность и позволяет получить из графита алмаз.
Физические и химические свойства алмаза и графита хорошо видны из таблицы.
| Характеристика | ||
|---|---|---|
| Строение атомной решетки | Кубическая форма | Гексагональная |
| Светопроводимость | Хорошо проводит свет | Не пропускает свет |
| Электропроводимость | Не обладает | Имеет хорошую электропроводимость |
| Связи атомов | Пространственные | Плоскостные |
| Структура | Твердость и хрупкость | Слоистость |
| Максимальная температура, при которой минерал остается неизменным | 720 по Цельсию | 3700 по Цельсию |
| Цвет | Белый, голубой, черный, желтый, бесцветный | Черный, серый, стальной |
| Плотность | 3560 кг/м.куб. | 2230 кг/м.куб. |
| Использование | Ювелирное дело, промышленность | Литейное производство, электроугольная промышленность. |
| Твердость по шкале Мооса | 10 | 1 |
Химическая формула алмаза и графита одна и та же – углерод (С), но процесс создания в природе разный. Алмаз возникает при очень высоких давлениях и мгновенном охлаждении, а графит, наоборот, при низком давлении и высокой температуре.
Выделяют следующие методы получения алмазов:
Процесс алмаза в графит аналогичен. Разница лишь в показателях давления и температуры.
Месторождение минералов
Алмазы пролегают на глубинах более 100 км при температуре 1300 ̊С. От взрывной волны вступает в действие кимберлитовая магма, образуя так называемые кимберлитовые трубки, которые и являются коренными месторождениями алмазов.
Кимберлитовая трубка названа в честь африканской провинции Кимберли, где она и была впервые открыта. Породы с алмазными залежами называют кимберлитами.
Самые известные ныне месторождения находятся в Индии, Южной Африке и в России. На коренных месторождениях, состоящих из кимберлитовых и лампроитовых трубок, добывают до 80% всех алмазов.
Найти алмазы в добытой породе помогают рентгеновские лучи. Большинство найденных камней используется в промышленности, так как не обладают достаточными характеристиками для ювелирной области. Промышленные камни разделяют на 3 вида:
- борт – мелкие камни, имеющие зернистую структуру;
- баллас – камни круглой или грушевидной формы;
- карбонадо – камень черного цвета, получивший свое название из-за сходства с углем.
Любопытно, что наиболее крупные и выдающиеся по характеристикам алмазы получают свое уникальное название. Самые известные из них – «Шах», «Звезда Минаса», «Кохинур», «Звезда Юга», «Президент Варгас», «Минас-Жерайс», «Английский алмаз Дрездена» и др.
Графит образуется в результате видоизменения осадочных пород. Мексиканские, ногинские и мадагаскарские графитовые месторождения богаты рудой с графитом низкого качества. Менее распространенные – ботогольский и цейлонский тип, отличаются рудой, богатой высоким содержанием графита. Крупнейшие известные месторождения находятся на Украине и в Краснодарском крае.
Сфера применения
Алмаз и графит используют гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд. Алмазы нашли свое применение в следующих сферах:
В процентном соотношении использования алмазов выглядит так:
- Инструменты, машинные детали – 60%.
- Обрамление шлифовочных кругов -10%.
- Переработка проволоки-10%.
- Бурение скважин – 10%.
- Ювелирные изделия, мелкие детали – 10%.
Что касается графита, то в чистом виде он практически не используется, а подвергаются предварительной обработке, хотя в разных сферах используется графит разного качества. Для канцелярских карандашей используют графит высочайшего качества. Наиболее широкое применение нашло в литейном производстве, обеспечивая гладкую поверхность различных форм стали. Здесь используется практически необработанный графит.
Электроугольная промышленность наряду с природным использует искусственно созданный графит, также получивший широкое применение благодаря особой чистоте и постоянству состава. Электропроводимость сделала графит материалом для электродов электрических приборов. В металлургии используется как смазочный материал.
Алмаз и графит – одинаковые по составу, но по-своему уникальные вещества. Польза графита для различных отраслей промышленности гораздо выше алмаза.
Алмаз же, призванный радовать своей красотой, неоценим для экономики, принося огромные доходы от применения в ювелирной промышленности.
Графит, брат угля и алмаза
На картинках, иллюстрирующих нахождение углерода в минеральной природе, графит ненапрасно располагают между углем и алмазом. По свойствам графит действительно частично схож с обычным каменным углем, а частично – с благородным алмазом.
Самородный графит не всегда одинаков. Добытый из недр, он чаще всего черен, плотен, мягок и прекрасно пишет по твердой поверхности. За это греки и прозвали черный минерал «графитом»: «графо» - значит «пишу».
Народы, менее склонные к писательству, звали графит (в вольном переводе на русский) и «черным свинцом», и «углистым железом», а также «сливовиком» и даже «скальником» - поскольку графитовые обнажения чаще всего таятся в расселинах скал.
Природный графит может быть не только черным, но и серым, с явным металлическим отблеском. Графитовая масса нередко полна примесей – в том числе и золота – и промышленникам приходится использовать многоэтапные технологии очищения графита.
Между тем, каждому металлургу известно, как много графита выделяет остывающий чугун. Так не проще ли вместо добычи ископаемого графита использовать графит искусственный?
Разновидности графита
Графит имеет слоистое строение. Атомы углерода в графите объединены в пластины толщиной в одну молекулу. В идеале пластины плотно прилегают друг к другу и срастаются в шестиугольные таблитчатые кристаллы. Кристаллические разрастания графита могут принимать столбчатую, чешуйчатую или сфероподобную форму. Графитовые сферолиты порой образуют массивные грозди, округлости которых напоминают бока темных слив, покрытых глянцевым налетом.Природный графит может быть смешан с аморфной углистой или глинистой массой, газами, битумами и соединениями чужеродных элементов, но в нем всегда наблюдается кристаллическая структура, и он достаточно легко очищается и доводится до нужных производству параметров.
Доменный графит, выделяясь в среду отдельными мельчайшими пластинками, представляет собой трудноуловимое вещество. Его улавливают и утилизуют – обычно прямо на предприятии, используя как добавку к шихте – но технология дорога и масштабы этой утилизации невелики.
Более производительным является метод изготовления графита из высокоуглеродистого сырья – летучих углеводородов, антрацита, кокса, пека. Основой метода является нагревание твердой сырьевой массы до 2800°С, а газообразной среды – до 3000°С при повышенном до 500 атм. давлении.
Технологии добычи природного и получения искусственного графита весьма затратны. Однако целесообразность подобных расходов неоспорима: свойства графита уникальны, и как материал он во многих случаях просто незаменим.
Свойства графита
Главное практическое свойство графита – устойчивость к запредельным термическим нагрузкам , инертность в диапазоне температур ниже 2500°С, высокая электропроводность, низкий коэффициент трения в парах графит-металл. Помимо того, графит легко расщепляется на чешуйки, которые, в свою очередь, без задержки прилипают к любой поверхности. Таким образом, мелкодисперсная графитная пыль становится отличным смазывающим веществом.Температура плавления графита близка к 4000°С, что позволяет использовать материал в качестве лабораторной среды для работы с тугоплавкими металлами. Находит свое применение и высокая теплопроводность минерала.
Пластичность графита дает возможность формовать из него детали любой формы. Прессованный графит прекрасно поддается механической обработке.
Важнейшим свойством графита является его способность к перерождению в алмаз.
Алмаз из графита и графит из алмаза
Разница между графитом и алмазом состоит в плотности укладки углеродных слоев. Практически разобщенные в графите, в алмазе они соединены столь плотно, что кристаллическая решетка минерала принимает кубическую форму. То есть каждый атом углерода в алмазе находится одновременно в трех взаимно перпендикулярных слоях.Для того чтобы углеродные слои связались воедино, не придумано ничего лучше кроме сильного сдавливания и подъема температуры. Первые синтетические алмазы были получены при разогреве графита до 1800°С под давлением в 120 тысяч атмосфер. Сегодня практикуется производство мелкой алмазной крошки при температурах порядка 1200°С и краткосрочном повышении давления до 300 тыс. атм.
Реакция обратима. Любой алмаз, разогретый до 1000°С, начинает превращаться в графит. При 2000°С процесс протекает очень быстро.
Использование графита
И природный, и синтетический графит находят применение в промышленности. В металлургии цветных и тугоплавких металлов графит незаменим как материал для обработки или изготовления литьевых форм. Способность графита растворяться в разогретых сплавах используется для придания изделиям заданных свойств.Работоспособность подшипников скольжения обеспечивается за счет использования графита. Что важно, темп износа графитовой опоры или обоймы постоянен во всем диапазоне рабочих температур подшипников, нередко насчитывающем сотни градусов.
Графит обладает не только смазывающими, но и абразивными способностями. Тончайшие полировочные пасты содержат в себе графит. Введенный в состав фрикционных материалов, минерал повышает устойчивость изделий к нагреву.
Керамика, замешанная на графите, отличается особой огнеупорностью. Электропроводность и стойкость материала к эрозии дает возможность изготавливать из графита высоковольтные контакты, облицовку сопел и дюз.
Инертность графита делает его отличным защитным покрытием для всевозможных конструкций. Краски, созданные на основе графитовой взвеси в растворителе-пластификаторе, работают и на твердых (бетон, сталь), и на упругих (древесина, алюминий) поверхностях.
Алмаз, графит и уголь - состоят из однородных атомов графита, но имеют различные кристаллические решетки.
Краткая характеристика: алмаз, графит и уголь
Кристаллические решетки графита не имеют прочных связей, они представляют собой отдельные чешуйки и как бы скользят друг по другу, легко отделяясь от общей массы. Графит часто используют в качестве смазки для трущихся поверхностей.
Уголь состоит из мельчайших частиц графита и таких же малых частиц углерода, находящегося в соединении с водородом, кислородом, азотом.
Кристаллическая решетка алмаза жесткая, компактная, обладает высокой твердостью.
Тысячелетиями люди даже не подозревали, что эти три вещества имеют что-то общее. Все это - открытия более позднего времени.
Никаких признаков их родства не давала и природа. Месторождения угля никогда не соседствовали с графитом. В их залежах никогда геологи не обнаруживали сверкающих кристаллов алмаза.
Но время не стоит на месте. В конце XVII века флорентийским ученым удалось сжечь алмаз. После этого не осталось даже крохотной кучки золы. Английский химик Теннант через 100 лет после этого установил, что при сжигании одинаковых количеств графита, угля, и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Этот опыт открыл истину.
Взаимопревращения алмаза, графита и угля
Сразу же ученых заинтересовал вопрос: а возможно ли превращение одной аллотропической формы углерода в другую? И ответы на эти вопросы были найдены.
Оказалось, что алмаз
полностью переходит в графит
, если его нагреть в безвоздушном пространстве до температуры 1800 градусов.
Если через уголь пропускают электрический ток в специальной печи, то он превращается в графит при температуре 3500 градусов.
Превращение - графита или угля в алмаз
Труднее далось людям третье превращение - графита или угля в алмаз . Почти сто лет пытались осуществить его ученые.
Получить из графита алмаз
Первым был, видимо, шотландский ученый Генней . В 1880 году он начал серию своих опытов. Он знал, что плотность графита - 2,5 грамма на кубический сантиметр, а алмаза - 3,5 грамма на кубический сантиметр. Значит, надо уплотнить укладку атомов и получить из графита алмаз , решил он.
Он брал прочный стальной орудийный ствол, наполнял его смесью углеводородов, прочно закрывал оба отверстия и накаливал до красного каления. В раскаленных трубах возникало гигантское, по понятиям того времени, давление.
Не раз оно разрывало сверхпрочные орудийные стволы, как авиационные бомбы. Но все-таки некоторые выдержали весь цикл нагреваний. Когда они остыли, Генней нашел в них несколько темных, очень прочных кристаллов.
Я получил искусственные алмазы,
Решил Генней.
Способ получения искусственных алмазов
Через 10 лет после Геннея французский ученый Анри Муассон подверг стремительному охлаждению насыщенный углеродом чугун. Мгновенно застывшая поверхностная корка его, при остывании уменьшаясь в размерах, подвергала внутренние слои чудовищному давлению.
Когда затем Муассон растворял в кислотах чугунные ядрышки, он находил в них крохотные непрозрачные кристаллики.
Я нашел еще один способ получения искусственных алмазов !
Решил изобретатель.
Проблема искусственных алмазов
Спустя еще 30 лет, проблемой искусственных алмазов стал заниматься английский ученый Парсонс . В его распоряжении были гигантские прессы принадлежавших ему заводов. Он стрелял из пушки прямо в дуло другого оружия, но алмазов ему получить не удалось.
Впрочем, уже во многих развитых странах мира лежали в музеях искусственные алмазы разных изобретателей. И было выдано не мало патентов на их получение. Но в 1943 году английские физики подвергли скрупулезной проверке полученные искусственным путем алмазы.
И оказалось, что все они не имеют ничего общего с настоящими алмазами, кроме только алмазов Геннея. Они оказались настоящими. Это сразу же стало загадкой, остается загадкой и сегодня.
Превращение графита в алмаз
Наступление продолжалось. Во главе его встал лауреат Нобелевской премии американский физик Перси Бриджмен . Почти полвека занимался он усовершенствованием техники сверхвысоких давлений.
И в 1940 году, когда в его распоряжении оказались прессы, могущие создавать давление до 450 тысяч атмосфер, он начал опыты по превращению графита в алмаз .
Но осуществить это превращение он не смог. Графит, подвергнутый чудовищному давлению, остался графитом. Бриджмен понимал, чего не хватает его установке: высокой температуры.
Видимо, в подземных лабораториях, где создавались алмазы, играла роль и высокая температура. Он изменил направление опытов. Ему удалось обеспечить нагрев графита до 3 тысяч градусов и давление до 30 тысяч атмосфер. Это было уже почти то, что, как мы знаем теперь, необходимо для алмазного превращения.
Но и недостающее «почти» не позволило Бриджмену достичь успеха. Честь создания искусственных алмазов досталась не ему.
Первые искусственные алмазы
Первые искусственные алмазы были получены английскими учеными Бэнди, Холлом, Стронгом и Вентроппом в 1955 году. Они создавали давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 5000 градусов.
В графит добавляли катализаторы - железо, ром, марганец и т. д. И на границе графита и катализаторов возникли желто-серые непрозрачные кристаллы технических искусственных алмазов. Что ж, алмаз идет не только на брилианты, он используется и на заводах, и на фабриках.
Впрочем, несколько позже американские ученые нашли способ получать и прозрачные кристаллы алмаза. Для этого грант подвергают давлению в 200 тысяч атмосфер, а затем электрическим разрядом нагреванию до температуры 5 тысяч градусов.
Кратковременность разряда - он длится тысячные доли секунды - оставляет установку холодной, и алмазы получаются чистыми и прозрачными.
Создание искусственных алмазов
Советские ученые пришли к созданию искусственных алмазов своим путем. Советский физик О.И. Лейпунский провел теоретические исследования и заранее установил те температуры и давления, при которых возможно алмазное превращение графита.
Цифры эти в те годы - это было в 1939 году - показались удивительными, стоящими за границами достижимого для современной техники: давление не менее 50 тысяч атмосфер и температура 2 тысячи градусов. И все-таки, за стадией теоретических расчетов пришла пора создания опытных конструкций, а затем и промышленных установок. И сегодня работают многочисленные устройства, выпускающие искусственные алмазы и другие, еще более твердые вещества. Высшее достижение природы в твердости материала не только достигнуто, но уже и перекрыто.
Такова история открытия третьего превращения углерода, самого важного для современной техники.
Как алмаз возник в природе
Но что осталось самого удивительного в алмазном превращении углерода? То, что ученые до сих пор не понимают, как алмаз возник в природе !
Известно, что единственным коренным месторождением алмазов являются кимберлитовые трубки . Это глубокие цилиндрические колодцы диаметром в несколько сот метров, заполненные синей глиной - кимберлитом, с которой вместе и были вынесены на поверхность земли драгоценные камни.
Гипотеза глубинного рождения алмазов
Наиболее ранней была гипотеза глубинного рождения алмазов . Согласно этой гипотезе, сверкающие кристаллы выделились из расплавленной магмы на глубине около 100 километров, а затем вместе с магмой по трещинам и разломам медленно поднимались к поверхности.
Ну а с глубины в 2-3 километра магма прорывала и вырывалась на поверхность, образуя кимберлитовую трубку.
Взрывная гипотеза
На смену этой гипотезе пришла другая, вероятно, ее следует назвать взрывной гипотезой . Ее выдвинули Л. И. Леонтьев, А. А. Кадемекий, В. С. Трофимов . По их мнению, алмазы возникают на глубине всего 4-6 километров от земной поверхности.
А требующееся для возникновения алмазов давление создается взрывом, вызванным некоторыми взрывчатыми веществами, проникшими в занимаемые магмой полости из окружающих осадочных пород. Это могут быть нефть, битумы, горючие газы. Авторы гипотезы предложили несколько вариантов химических реакций, в результате которых образуются взрывчатые смеси и возникает свободный углерод.
Эта гипотеза объясняла и высокую температуру, требующуюся для алмазного превращения, и гигантское давление. Но не все особенности кимберлитовых трубок она объясняла. Очень легко было доказать, что породы кимберлитовой трубки образовались при давлении, не превышающем 20 тысяч атмосфер, но невозможно доказать, что они возникли при более высоком давлении.
Сегодня геофизики достаточно точно установили, для каких пород требуются те или иные давления и температуры образования. Скажем, постоянный спутник алмаза - минерал пироп - требует 20 тысяч атмосфер, алмаз - 50 тысяч. Большее, чем для пиропа, и меньшее, чем для алмаза, давление требуют коэсит, стишовит, пьезолит.
Но ни этих, ни других пород, требующих для своего образования столь высоких давлений, в кимберлите нет. Единственное исключение здесь - алмаз. Почему это так? Ответить на этот вопрос решил доктор геолого-минералогических наук Э. М. Галымов .
Почему, спросил он себя, давление в 50 тысяч атмосфер должно быть обязательно свойственно всей массе магмы, в которой творятся алмазы? Ведь магма - поток. В ней возможны и вихри, и быстрины, и гидравлические удары, и пузырьки возникающей местами кавитации.
Гипотеза рождения алмаза в режиме кавитации
Да, именно кавитация ! Это удивительно неприятное явление, несущее не мало бед гидравликам! Кавитация может возникнуть на лопастях гидравлической турбины, если она хоть чуть-чуть вышла за границы рассчитанного режима. Такая же беда может постичь и лопасти гидравлического , перешедшего на форсированный режим.
Кавитация может разрушить и лопасти пароходного винта, словно бы надорвавшегося в борьбе за скорость. Она губит, разрушает, разъедает. Да, это точнее всего: разъедает! Сверхпрочные стали, блиставшие зеркальной полировкой поверхностей, превращаются в рыхлую пористую губку.
Словно тысячи крохотных беспощадных и жадных ртов рвали по крохам металл в том месте, где его изгрызла кавитация. Да еще ртов, которым «по зубам» легированный металл, от которого отскакивает напильник! Не мало аварий турбин и насосов, гибели пароходов и теплоходов произошло из-за наличия кавитации. И ста лет не прошло, как разобрались, что же это такое - кавитация.
А действительно, что же это такое? Представим поток жидкости, движущейся в трубе переменного сечения. Местами, в сужениях, скорость течения растет, местами, там, где поток расширяется, скорость течения падает. Одновременно, но по обратному закону изменяется давление внутри жидкости: там, где вырастает скорость, резко падает давление, а там, где скорость уменьшается - давление растет.
Этот закон обязателен для всех движущихся жидкостей. Можно представить, что при некоторых скоростях давление падает до той величины, при которой жидкость закипает, и в ней возникают пузырьки пара. Со стороны кажется, что жидкость в месте кавитации начала кипеть, ее заполняет белая масса крохотных пузырьков, она становится непрозрачной.
Вот эти-то пузырьки и являются главной бедой при кавитации. Как рождаются и как умирают кавитационные пузырьки, еще недостаточно изучено. Неизвестно, заряжены ли внутренние их поверхности. Неизвестно, как ведет себя вещество паров жидкости в пузырьке. А Галымову было поначалу неизвестно, могут ли вообще возникнуть кавитационные пузырьки в магме, заполняющей кимберлитовую трубку.
Ученый произвел расчеты. Оказалось, что кавитация возможна при скоростях течения магмы, превышающих 300 метров в секунду. Такие скорости легко получить для воды, но может ли течь с такой же скоростью тяжелая, густая, вязкая магма? Снова расчеты, расчеты и долгожданный ответ: да, может! Для нее возможны скорости и в 500 метров в секунду.
Дальнейшие расчеты должны были выяснить, будут ли достигаться в пузырьках требующиеся величины температуры и давления - 50 тысяч атмосфер давления и 1500 градусов температуры. И эти расчеты дали положительные результаты.
Средняя величина давления в пузырьке в момент охлопывания достигала миллиона атмосфер! А максимальное давление может быть в десять раз больше. Температура же в этом пузырьке имеет величину в 10 тысяч градусов. Что и говорить, условия далеко перешагнули через предельные для алмазного превращения.
Скажем сразу, условия, которые создает кавитационный пузырек для зарождения алмаза, очень своеобразны. Помимо температур и давлений, по временам возникающих в крохотных объемах этих пузырьков, там проносятся ударные волны, сверкают удары молний - вспыхивают электрические искры.
Звуки вырываются за пределы узкого участка жидкости, охваченного кавитацией. Соединяясь, они воспринимаются как своеобразное гудение, подобное тому, которое доносится из закипающего чайника. Но именно такие условия являются идеальными для зарождающегося алмазного кристалла. Поистине, его рождение происходит в грозе и молниях.
Можно упрощенно и опуская многие детали представить происходящее внутри кавитационного пузырька. Вот повысилось давление жидкости, и кавитационный пузырь начинает исчезать. Двинулись к центру его стенки, и от них сразу же отрываются ударные волны. Они движутся в ту же сторону к центру.
Не надо забывать об их особенностях. Во-первых, они движутся со сверхзвуковой скоростью, во-вторых, за ним остается крайне возбужденный газ, у которого резко поднялись и давление, и температура.
Да, это та же самая ударная волна, что движется по куску горящего тола и превращает мирно горение в яростный, всесокрушительный взрыв. В центре пузырька ударные волны, бегущие с разных сторон, сходятся. При этом плотность вещества в этой точке схождения превосходит плотность алмаза.
Трудно сказать, какую форму там приобретает вещество, но оно начинает расширяться. При этом ему приходится преодолевать противодавление, измеряемое миллионами атмосфер. За счет этого расширения оказавшееся в центре пузырька вещество охлаждается с десятков тысяч градусов всего до тысячи градусов.