На кончике бора (и бура): из чего сделан искусственный алмаз и зачем он нужен энергетике
Алмаз может поцарапать стекло или любую другую поверхность, но оставить царапину на алмазе сложно. Все из-за его «упрямого характера»: он самый твердый природный минерал на Земле, и благодаря этому свойству драгоценный камень применяют повсюду — от стоматологии до энергетики. Ученые давно пытались разработать искусственный материал, приближенный к алмазу по твердости, и им это удалось. Вещество, полученное в лаборатории, назвали пентаборидом вольфрама. «Энергия+» разобралась в причинах твердости алмаза и выяснила, как создали его аналог.
За твердость вещества отвечают атомы, а точнее — их «отношения». Одни и те же атомы могут соединяться друг с другом по-разному, образуя крепкую «дружбу на века» или «мимолетное знакомство». Твердый алмаз состоит из атомов углерода (C). Из них же «слеплен» графит — мягкое вещество, из которого делают грифели карандашей.
В структуре графита атомы углерода образуют слои, внутри которых атомы связаны крепко, но сами слои удерживают между собой слабые межмолекулярные связи. Именно эти слои остаются на бумаге, когда вы проводите по ней карандашом.
В алмазе каждый атом углерода «дружит» с четырьмя соседними: никаких слоев в такой структуре нет, а разорвать связи между атомами крайне сложно. Вместе атомы углерода образуют сверхтвердый материал. Чтобы это произошло, природа трудится на глубинах больше 100 километров, при огромных давлениях и температурах.
Евгений Подрябинкин
старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий
Твердость определяет способность одного материала царапать и продавливать другой. Она же позволяет материалу не менять свою микроструктуру при больших нагрузках.
«Важна и прочность — стойкость к образованию и распространению трещин, способность микроструктуры перестраиваться и адаптироваться к деформациям», — добавил Евгений Подрябинкин.
Твердость и устойчивость алмаза к образованию трещин ценят в ювелирном деле: камень блестит и долго сохраняет внешний вид. Алмазное покрытие делает острыми хирургические скальпели и стоматологические буры. Минерал используют в электронике, а также космической промышленности. В энергетике он нужен для бурения нефтегазовых скважин и при строительстве элементов термоядерных реакторов, например, радиационно- и жаропрочных окон, через которые будет проходить энергия для нагрева плазмы.
Натуральный или искусственный
Алмазы добывают в кимберлитовых трубках в карьерах и шахтах, собирают на поверхности земли и со дна рек и морей. Ценный минерал отделяют от песка и руды с помощью дробления и просеивания, очистки и обработки на сепараторе.
Можно получить алмаз искусственно из того же графита, который расплавляют вместе с металлом при давлении в 10 тысяч раз выше атмосферного и температуре 1500 градусов. Синтезируют минерал и из углеродсодержащего газа и плазмы при 700–850 градусах и давлении в 30 раз меньше атмосферного.
И добыча, и синтез алмазов — это трудоемко, долго и дорого. Оба процесса требуют сложного оборудования.
Артем Оганов
профессор Сколковского института науки и технологий и Российской академии наук
Кроме сложностей добычи и производства у алмаза есть ряд других недостатков. При высоких температурах он может сгорать в контакте с кислородом.
Алмаз может вступать в химическую реакцию с железом — им нельзя резать железосодержащие сплавы. В буровых долотах, помимо алмаза, применяется победит — сплав на основе карбида вольфрама.
Чем заменить
Альтернативой победиту, а для некоторых применений и алмазу, ученые называют пентаборид вольфрама. Это соединение второго по твердости простого вещества (бора) и самого тугоплавкого металла (вольфрама).
«Структура пентаборида вольфрама — это прочный каркас из атомов бора, внутри которого располагаются атомы вольфрама. За счет свойств этих двух элементов и трехмерной решетки бора структура обладает высокой твердостью, — объясняет доктор физико-математических наук, старший преподаватель Сколтеха Александр Квашнин. — Для синтеза пентаборида вольфрама нужны температура 1000–1500 градусов и давление до 15 тысяч атмосфер. Сам процесс напоминает синтез карбида вольфрама — эту технологию применяют больше 60 лет».
По словам специалиста, дешевле синтезировать пентаборид вольфрама безвакуумным электродуговым методом, который активно развивают в Томском политехе. В реактор закладывают порошки бора и вольфрама. Когда между электродами нарастает напряжение, возникает электрическая дуга. Она нагревает порошки, и образуется пентаборид вольфрама.
«Алмазозаменитель» можно использовать для напыления или в спрессованном виде. Заинтересовал он ученых и химическими свойствами — возможно, после исследований его станут применять как катализатор и замену металлам платиновой группы, которые нужны в топливных элементах, выхлопной системе автомобилей и во многих процессах химической промышленности.
