Биография самого твердого минерала: алмаз и его роль в энергетике
Алмаз — самый твердый минерал на Земле. Что делает его таким и какие горизонты он открывает перед энергетикой?
Блестит, проводит тепло и сводит с ума
Алмаз обладает невероятной прочностью, блеском и способностью проводить тепло. Эти свойства объясняются его строением. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых соединен с четырьмя соседними и активно обменивается с ними электронами: вместо того чтобы держаться «своего» атома, эти частицы путешествуют между разными. Так между атомами образуется самая прочная химическая связь — ковалентная, разорвать которую очень сложно.
Атом состоит из ядра и оболочек. Ядро положительно заряжено и обычно включает два вида частиц: положительно заряженные (протоны) и нейтральные (нейтроны). Оболочки состоят из отрицательно заряженных частиц (электронов). Электроны внешних оболочек отвечают за химические реакции и помогают атомам объединяться в молекулы, становясь общими электронами нескольких атомов.
История добычи алмазов началась тысячи лет назад в Индии — их находили в руслах рек. В XVIII веке центром добычи стала Бразилия, а после открытия огромного месторождения на территории нынешней ЮАР в районе города Кимберли алмазная лихорадка началась в Африке.
Самые крупные месторождения алмазов находятся в Ботсване, России, ЮАР, Австралии, Канаде, Анголе, Конго. Россия — лидер по объемам добычи алмазов, основные месторождения расположены в Якутии и Архангельской области. Главный добытчик и производитель алмазов в мире — российская компания «Алроса»: она обеспечивает 30% мировой добычи и 95% добычи России.
Сокровища из глубин
Ученые придерживаются нескольких гипотез о том, откуда берутся алмазы. Большинство склоняется к тому, что камни сформировались из углерода на глубине сотен километров под огромным давлением, а затем магма вынесла их к поверхности. Так появились кимберлитовые трубки — главный источник алмазов. До открытия кимберлитовых трубок люди думали, что драгоценные камни образуются в реках — вода выносила камни из недр в русла.
Со временем кимберлитовая трубка «зарастает» другими горными породами. Если слой, скрывающий ее устье, небольшой, то добыча идет открытым способом: над трубкой роют карьер, удаляя лишние слои земли. Этим методом пользуются в Южной Африке и России.
Если залежи находятся глубоко, добыча алмазов идет подземным способом: бурят шахты и извлекают руду. Ее дробят, отсеивают, сортируют. Найти алмазы в руде и извлечь их помогает сепарация под рентгеновским излучением — в нем драгоценные камни начинают светиться. Шахтный способ добычи применяют на месторождениях Якутии.
На некоторых месторождениях применяют комбинированный способ: сначала добыча алмазов разворачивается в карьерах, а затем уходят вглубь — в шахты.
Еще один способ добычи алмазов — россыпной. Камни, вынесенные на поверхность водой, собирают в руслах рек. Этот метод распространен в Африке. Добывают алмазы и в море — для этого используют суда, которые всасывают породу со дна моря. Так работают, например, у берегов Намибии.
Добывают алмазы и в лабораториях и на фабриках. Там создают синтетические камни, которые по свойствам не уступают природным, но более доступны. Алмазы синтезируют двумя способами. Первый — HPHT (с англ. аббревиатура расшифровывается как «высокое давление, высокая температура»): углерод нагревают при 1500 градусах и давлении 50 000 атмосфер, имитируя природные условия образования алмазов. Второй способ — CVD («химическое осаждение из газа»): углерод из метана осаждают на подложку в вакууме, предварительно разделив газ на заряженные частицы с помощью электрической дуги, микроволнового или лазерного излучения, — и алмаз растет слой за слоем, словно в 3D-принтере.
От добычи нефти до покорения космоса
Инструментами с алмазным напылением режут и шлифуют другие твердые материалы. Для отвода тепла алмаз используют как компонент мощных процессоров, лазерных диодов, транзисторов. Алмазной крошкой покрывают инструменты для бурения скважин. Невероятная твердость камня позволяет разрушать самые прочные породы, в которых залегают нефть и природный газ. Долото, покрытое синтетическим алмазом, обеспечивая высокую скорость проходки скважины, из которой добывают углеводороды. Алмазные насадки для бурового инструмента применяют для геологоразведки: полые коронки аккуратно вырезают керн, сохраняя структуру породы для анализа.
Так как алмазы устойчивы к радиации и химическим воздействиям, их применяют в самых экстремальных условиях. Например, строя термоядерные реакторы, специалисты следят за происходящим внутри с помощью алмазных детекторов радиации и нейтронов. Через алмазные окна в термоядерные реакторы планируют подавать энергию для нагрева плазмы.
Блестящие технологии будущего
Лабораторно выращенные алмазы предлагают использовать как катализаторы для ускорения реакции между водородом и кислородом в топливных элементах.
Кристаллы алмазов демонстрируют плазмонные свойства — способность создавать волны электронов, движущихся при попадании на них света. Это свойство предлагают использовать для управления электрическими полями и создания солнечных батарей нового поколения.
Если в алмазе небольшое количество атомов углерода заменить азотом или кремнием, получится материал, подходящий для изготовления элементов квантовых компьютеров — систем памяти и передачи информации, — а также источников для сверхбыстрого квантового интернета. Алмаз можно превратить в сверхпроводник, если «подмешать» в него бор. Новые свойства пригодятся в энергетике — например, для создания высокоэффективных электромагнитов термоядерных реакторов.
