Введение

Форма углерода
Минерал алмаз — это твердая форма элемента углерода, атомы которого расположены в кристаллической структуре, называемой алмазным кубическим типом решетки. Другая твердая форма углерода, известная как графит, является химически стабильной формой углерода при комнатной температуре и давлении, но алмаз является метастабильным и преобразуется в графит с пренебрежимо малой скоростью в этих условиях. Алмаз обладает самой высокой твердостью и теплопроводностью среди всех природных материалов, свойствами, которые используются в основных промышленных областях, таких как режущие и полирующие инструменты. Именно благодаря этим свойствам алмазные ячейки позволяют подвергать материалы давлению, встречающемуся в глубинах Земли. Поскольку расположение атомов в алмазе чрезвычайно жесткое, немногие виды примесей могут его загрязнить (два исключения — бор и азот). Небольшое количество дефектов или примесей (около одного на миллион атомов решетки) может окрасить алмаз в синий (бор), желтый (азот), коричневый (дефекты), зеленый (под воздействием радиации), фиолетовый, розовый, оранжевый или красный цвет. Алмаз также обладает очень высоким показателем преломления и относительно высокой оптической дисперсией. Большинство природных алмазов имеют возраст от 1 до 3,5 миллиардов лет. Большинство из них образовалось на глубине в мантии Земли, хотя некоторые образовались на глубине. Под высоким давлением и температурой углеродсодержащие флюиды растворяли различные минералы и заменяли их алмазами. Гораздо позже (от сотен до десятков миллионов лет назад) они были вынесены на поверхность в результате вулканических извержений и отложены в магматических породах, известных как кимберлиты и лампроиты. Синтетические алмазы можно выращивать из высокочистого углерода под высоким давлением и температурой или из углеводородных газов методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Имитации алмазов также могут быть изготовлены из таких материалов, как кубический цирконий и карбид кремния. Природные, синтетические и имитационные алмазы чаще всего различают с помощью оптических методов или измерений теплопроводности.

Свойства

Алмаз — это твердая форма чистого углерода, атомы которого расположены в кристаллической решетке. Твердый углерод существует в различных формах, известных как аллотропы, в зависимости от типа химической связи. Два наиболее распространенных аллотропа чистого углерода — алмаз и графит. В графите связи образуются за счет sp2-гибридизации орбиталей, а атомы формируют плоскости, где каждый атом связан с тремя ближайшими соседями под углом 120 градусов друг к другу. В алмазе связи образуются за счет sp3-гибридизации орбиталей, и атомы формируют тетраэдры, каждый из которых связан с четырьмя ближайшими соседями. Тетраэдры жесткие, связи прочные, и из всех известных веществ алмаз содержит наибольшее количество атомов на единицу объема, что обуславливает его исключительную твердость и несжимаемость. Он также обладает высокой плотностью, варьирующейся от 3150 до 3530 килограммов на кубический метр (более чем в три раза превышающую плотность воды) для природных алмазов и 3520 кг/м³ для чистого алмаза. В графите связи между ближайшими соседями еще сильнее, но связи между параллельными слоями слабые, поэтому слои легко скользят друг относительно друга. Таким образом, графит значительно мягче алмаза. Однако, благодаря более прочным связям, графит менее горюч. Алмазы находят широкое применение благодаря исключительным физическим свойствам материала. Он обладает наивысшей теплопроводностью и наибольшей скоростью звука. Характеризуется низким сцеплением и трением, а также чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения. Его оптическая прозрачность простирается от дальнего инфракрасного до глубокого ультрафиолетового диапазона, и он обладает высокой оптической дисперсией. Кроме того, он имеет высокое электрическое сопротивление. Алмаз химически инертен, не вступает в реакцию с большинством коррозионных веществ и обладает отличной биологической совместимостью.

Термодинамика

Условия равновесного давления и температуры для перехода между графитом и алмазом хорошо установлены как теоретически, так и экспериментально. Равновесное давление изменяется линейно с температурой, от 1,7 при 0 до 12 при 5000 (точка тройной коллинеарности алмаза/графита/жидкости). Однако фазы имеют широкую область вокруг этой линии, где они могут сосуществовать. При нормальной температуре и давлении, и , стабильной фазой углерода является графит, но алмаз является метастабильным, и скорость его превращения в графит пренебрежимо мала. При высоких давлениях кремний и германий имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру BC8, и аналогичная структура предсказывается для углерода при высоких давлениях. При 0, переход, как предсказывается, произойдет при 1100. Результаты исследований, опубликованные в статье в научном журнале Nature Physics в 2010 году, показывают, что при сверхвысоких давлениях и температурах (около 10 миллионов атмосфер или 1 ТПа и 50 000 °C) алмаз плавится в металлическую жидкость. Экстремальные условия, необходимые для этого, существуют на ледяных гигантах Нептуне и Уране. Обе планеты состоят примерно на 10% из углерода и гипотетически могут содержать океаны жидкого углерода. Поскольку большие объемы металлической жидкости могут влиять на магнитное поле, это может объяснить, почему географические и магнитные полюса этих двух планет не совпадают.

Кристальная структура

Наиболее распространенная кристаллическая структура алмаза называется кубической алмазной. Она образована элементарными ячейками (см. рисунок), сложенными вместе. Хотя на рисунке изображено 18 атомов, каждый угловой атом принадлежит восьми элементарным ячейкам, а каждый атом в центре грани принадлежит двум, поэтому на одну элементарную ячейку приходится в общей сложности восемь атомов. Длина каждой стороны элементарной ячейки обозначается буквой *a* и составляет 3,567 ангстрема. Расстояние до ближайшего соседа в алмазной решетке равно 1,732*a*/4, где *a* – постоянная решетки, обычно задается в ангстремах как *a* = 3,567 Å, что соответствует 0,3567 нм. Кубическая алмазная решетка может рассматриваться как две взаимно проникающие гранецентрированные кубические решетки, одна из которых смещена на 1/4 диагонали кубической ячейки, или как одна решетка с двумя атомами, связанными с каждой точкой решетки.

Кристальная привычка

Алмазы чаще всего встречаются в виде эугедральных или округлых октаэдров и двойников октаэдров, известных как макле. Поскольку кристаллическая структура алмаза имеет кубическую упаковку атомов, они обладают множеством граней, относящихся к кубу, октаэдру, ромбикозидодекаэдру, тетракисгексаэдру или дисдиаксисдодекаэдру. Кристаллы могут иметь сглаженные и нечеткие ребра и могут быть вытянутыми. Алмазы (особенно с округлыми гранями) обычно покрыты нифом – непрозрачной, похожей на смолу коркой. Некоторые алмазы содержат непрозрачные волокна. Они называются непрозрачными, если волокна растут из прозрачного основания, или волокнистыми, если они заполняют весь кристалл. Их цвет варьируется от желтого до зеленого или серого, иногда с облачными белыми или серыми включениями. Наиболее распространенная форма – кубоидальная, но они также могут образовывать октаэдры, додекаэдры, макле или комбинированные формы. Эта структура обусловлена многочисленными примесями размером от 1 до 5 микрон. Вероятно, эти алмазы образовались в кимберлитовой магме и содержат летучие компоненты. Алмазы также могут формировать поликристаллические агрегаты. Предпринимались попытки классифицировать их на группы, такие как борт, баллас, стюартит и фреймсайт, но единой общепринятой системы критериев не существует. Алмазы никогда не были обнаружены в вулканических породах. Существует множество теорий об их происхождении, включая формирование в звездах, но единого мнения нет.

Твердость

Алмаз – самый твердый материал по качественной шкале Мооса. Для проведения количественного испытания на твердость по Викерсу образцы материалов подвергаются воздействию пирамиды стандартизированных размеров с использованием известной силы. В качестве пирамиды используется алмазный кристалл, что позволяет испытывать широкий спектр материалов. По размеру образовавшейся выемки определяется значение твердости по Викерсу для данного материала. Исключительная твердость алмаза по сравнению с другими материалами была известна с древних времен и является источником его названия. Это не означает, что он бесконечно тверд, неразрушим или невосприимчив к царапинам. Действительно, алмазы могут быть поцарапаны другими алмазами и со временем изнашиваться даже более мягкими материалами, такими как виниловые пластинки. Твердость алмаза зависит от его чистоты, кристаллического совершенства и ориентации: она выше для безупречных, чистых кристаллов, ориентированных в направлении <111> (вдоль самой длинной диагонали кубической алмазной решетки). Поэтому, хотя некоторые алмазы можно поцарапать другими материалами, например, нитридом бора, самые твердые алмазы могут быть поцарапаны только другими алмазами и нанокристаллическими алмазными агрегатами. Твердость алмаза обуславливает его пригодность в качестве драгоценного камня. Поскольку его могут поцарапать только другие алмазы, он прекрасно сохраняет полировку. В отличие от многих других драгоценных камней, он хорошо подходит для повседневной носки благодаря устойчивости к царапинам, что, возможно, способствует его популярности в качестве предпочтительного камня для обручальных и свадебных колец, которые часто носят ежедневно. Самые твердые природные алмазы в основном происходят из месторождений Копетон и Бингара, расположенных в районе Новой Англии в штате Новый Южный Уэльс, Австралия. Эти алмазы обычно небольшие, имеют форму почти идеальных октаэдров и используются для полировки других алмазов. Их твердость связана с формой роста кристаллов, которая представляет собой одностадийный рост. Большинство других алмазов демонстрируют признаки множественных стадий роста, приводящих к образованию включений, дефектов и плоскостей дефектов в кристаллической решетке, что влияет на их твердость. Возможно обрабатывать обычные алмазы при сочетании высокого давления и высокой температуры, чтобы получить алмазы, более твердые, чем те, что используются в твердомерах. Алмазы режут стекло, но это не является однозначным признаком алмаза, поскольку другие материалы, такие как кварц, также находятся выше стекла по шкале Мооса и также могут его резать. Алмазы могут царапать другие алмазы, но это может привести к повреждению одного или обоих камней. Испытания на твердость редко используются в практической геммологии из-за их потенциально разрушительного характера – они приводят к образованию чрезвычайно плоских, высокополированных граней с исключительно острыми краями. Алмазы также обладают чрезвычайно высоким показателем преломления и достаточно высокой дисперсией. В совокупности эти факторы влияют на общий внешний вид отполированного алмаза, и большинство опытных огранщиков до сих пор полагаются на умелое использование лупы (увеличительного стекла) для идентификации алмазов "на глаз".

Жесткость

Несколько связанное с твердостью, другое механическое свойство – вязкость, представляющая собой способность материала сопротивляться разрушению при сильном ударном воздействии. Вязкость природного алмаза измеряется как 50–65 МПа·м1/2. Это хорошее значение по сравнению с другими керамическими материалами, но плохое по сравнению с большинством конструкционных материалов, таких как конструкционные сплавы, которые обычно демонстрируют вязкость более 80 МПа·м1/2. Как и для любого материала, макроскопическая геометрия алмаза влияет на его сопротивление разрушению. Алмаз имеет плоскость спайности и поэтому более хрупок в некоторых направлениях, чем в других. Бриллианторезчики используют это свойство для раскалывания некоторых камней перед их огранкой. Это исключительно высокое значение, наряду с твердостью и прозрачностью алмаза, является причиной того, что ячейки с алмазными наковальнями являются основным инструментом для экспериментов при высоких давлениях. Эти наковальни достигли давления в 600. Гораздо более высокие давления могут быть достигнуты с использованием нанокристаллических алмазов, с максимальным локальным напряжением на растяжение около 89–98 ГПа, что очень близко к теоретическому пределу для этого материала.

Электропроводность

Существуют и другие специализированные применения, включая использование в качестве полупроводников: некоторые синие алмазы являются природными полупроводниками, в отличие от большинства алмазов, которые являются отличными электрическими изоляторами. Проводимость и синий цвет обусловлены примесью бора. Бор замещает атомы углерода в кристаллической решетке алмаза, создавая дырку в валентной зоне. Значительная проводимость обычно наблюдается в алмазах, формально не легированных, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Эта проводимость связана с водородсодержащими соединениями, адсорбированными на поверхности, и может быть устранена отжигом или другими методами обработки поверхности. Тонкие алмазные иглы можно заставить изменять свою ширину запрещенной зоны от нормальной величины в 5,6 эВ до почти нуля посредством селективной механической деформации. Высокочистые алмазные пластины диаметром 5 см демонстрируют идеальное сопротивление в одном направлении и идеальную проводимость в другом, что открывает возможность их использования для квантового хранения данных. Содержание азота в материале составляет всего 3 части на миллион. Алмаз был выращен на ступеньчатой подложке, что предотвратило образование трещин.

Поверхностное свойство

Алмазы по своей природе липофильны и гидрофобны, что означает, что поверхность алмаза не смачивается водой, но легко смачивается и прилипает к маслу. Это свойство можно использовать для извлечения алмазов с помощью масла при производстве синтетических алмазов. Однако, при химической модификации поверхности алмазов определенными ионами, ожидается, что они станут настолько гидрофильными, что смогут стабилизировать несколько слоев ледяной воды при температуре тела человека. Поверхность алмазов частично окислена. Окисленную поверхность можно восстановить путем термической обработки в потоке водорода. Иными словами, эта термическая обработка частично удаляет кислородсодержащие функциональные группы. Но алмазы (sp3C) нестабильны при высоких температурах (выше примерно ) при атмосферном давлении. При превышении этой температуры структура постепенно переходит в sp2C. Следовательно, восстановление алмазов должно проводиться при температуре ниже указанной.

Химическая стабильность

При комнатной температуре алмазы не вступают в реакцию ни с какими химическими реагентами, включая сильные кислоты и основания. В атмосфере чистого кислорода температура воспламенения алмаза находится в диапазоне от … до …; мелкие кристаллы, как правило, воспламеняются легче. Алмаз нагревается от красного до белого каления и горит бледно-голубым пламенем, продолжая гореть даже после удаления источника тепла. В отличие от этого, в воздухе горение прекращается сразу после прекращения нагрева, поскольку кислород разбавлен азотом. Чистый, безупречный, прозрачный алмаз полностью превращается в углекислый газ, а любые примеси остаются в виде золы. Тепло, выделяемое при резке алмаза, не способно его воспламенить, равно как и пламя зажигалки, однако температура при пожаре или при использовании горелки достаточна для этого. Ювелиры должны проявлять осторожность при работе с металлом при изготовлении оправ для алмазов. Алмазный порошок подходящей фракции (около 50 микрон) после воспламенения от пламени горит с фонтаном искр. Таким образом, можно создавать пиротехнические составы на основе синтетического алмазного порошка. Образующиеся искры имеют обычный красно-оранжевый цвет, сравнимый с цветом углей, но характеризуются очень линейной траекторией, что объясняется их высокой плотностью. Алмаз также реагирует с фтором при температуре выше примерно … .

Цвет

Алмаз имеет широкую запрещенную зону в 5,5 эВ, соответствующую длине волны глубокого ультрафиолета в 225 нанометров. Это означает, что чистый алмаз должен пропускать видимый свет и выглядеть как прозрачный бесцветный кристалл. Окраска алмазов обусловлена дефектами кристаллической решетки и примесями. Кристаллическая решетка алмаза исключительно прочна, и лишь атомы азота, бора и водорода могут внедряться в алмаз в значительных концентрациях (до атомных процентов) в процессе его роста. Переходные металлы, такие как никель и кобальт, которые обычно используются для выращивания синтетических алмазов методами высокого давления и высокой температуры, обнаруживаются в алмазах в виде отдельных атомов; максимальная концентрация составляет 0,01% для никеля и еще меньше для кобальта. Практически любой элемент может быть введен в алмаз посредством ионной имплантации. Азот является наиболее распространенной примесью в ювелирных алмазах и отвечает за их желтый и коричневый цвет. Бор обуславливает синий цвет. Существуют два дополнительных источника окраски алмазов: облучение (обычно альфа-частицами), вызывающее зеленый цвет, и пластическая деформация кристаллической решетки алмаза. Пластическая деформация является причиной окраски некоторых коричневых, а возможно, и розовых и красных алмазов. В порядке возрастания редкости, за желтым алмазом следуют коричневый, бесцветный, затем синий, зеленый, черный, розовый, оранжевый, фиолетовый и красный. В мае 2009 года на аукционе был установлен рекорд цены за карат синего алмаза – 10,5 миллиона швейцарских франков (6,97 миллиона евро или 9,5 миллиона долларов США). Однако в том же году этот рекорд был побит: 1 декабря 2009 года в Гонконге ярко-розовый алмаз был продан за 10,8 миллиона долларов.

Ясность

Ясность – один из 4C (цвет, чистота, огранка и вес в каратах), который помогает определить качество бриллиантов. Гемологический институт Америки (GIA) разработал 11 шкал оценки чистоты, чтобы определить качество бриллианта для определения его стоимости. Шкала чистоты GIA простирается от безупречного (FL) до с включениями (I), с промежуточными градациями: внутренне безупречный (IF), очень-очень незначительные включения (VVS), очень незначительные включения (VS) и незначительные включения (SI). Примеси в природных бриллиантах обусловлены наличием природных минералов и оксидов. Шкала чистоты оценивает бриллиант на основе цвета, размера, расположения и количества включений, видимых при десятикратном увеличении. Включения в бриллианте могут быть удалены оптическими методами. Процесс включает получение предварительных изображений, идентификацию участка для удаления включения и, наконец, удаление дефектов огранки и шумов.

Флуоресценция

От 25% до 35% природных алмазов демонстрируют ту или иную степень флуоресценции при обследовании под невидимым длинноволновым ультрафиолетовым светом или источниками излучения с более высокой энергией, такими как рентгеновские лучи и лазеры. Лампы накаливания не вызывают флуоресценции алмазов. Алмазы могут флуоресцировать в различных цветах, включая синий (наиболее распространенный), оранжевый, желтый, белый, зеленый и крайне редко – красный и фиолетовый. Хотя причины этого явления до конца не изучены, предполагается, что вариации в атомной структуре, например, количество атомов азота, способствуют его возникновению.

Теплопроводность

Алмазы можно идентифицировать по их высокой теплопроводности (900 и выше). Их высокий показатель преломления также является признаком, но другие материалы обладают схожей рефракцией.

Геология

Алмазы чрезвычайно редки, их концентрация в исходных породах не превышает частей на миллиард. Иногда они обнаруживаются в моренах (в частности, в Висконсине и Индиане), но эти месторождения не имеют коммерческой ценности. Большинство алмазов формируется в мантии Земли, и основная часть этого раздела посвящена именно им. Однако существуют и другие источники. Некоторые блоки коры, или терраны, погружались на достаточную глубину при утолщении коры и подвергались метаморфизму сверхвысокого давления. В них содержатся равномерно распределенные микроалмазы, не имеющие признаков переноса магмой. Кроме того, при падении метеоритов ударная волна создает температуры и давления, достаточные для образования микроалмазов и наноалмазов. Попигайская ударная структура в России может содержать крупнейшее в мире месторождение алмазов, оцениваемое в триллионы карат, образовавшееся в результате падения астероида. Распространенное заблуждение состоит в том, что алмазы образуются из сильно сжатого угля. Уголь формируется из захороненных остатков древних растений, а большинство датированных алмазов значительно старше первых наземных растений. Возможно образование алмазов из угля в зонах субдукции, но такие алмазы встречаются редко, и источником углерода, вероятнее всего, являются карбонатные породы и органический углерод в осадочных отложениях, а не уголь.

Поверхностное распределение

Алмазы распределены по Земле далеко не равномерно. Существует эмпирическое правило, известное как правило Клиффорда, согласно которому они почти всегда обнаруживаются в кимберлитах на самых древних участках кратонов – стабильных ядрах континентов с типичным возрастом 2,5 миллиарда лет и более. Однако существуют и исключения. Алмазный рудник Аргайл в Австралии, крупнейший в мире по объему добычи алмазов, расположен в подвижном поясе, также известном как орогенный пояс – более слабой зоне, окружающей центральный кратон, подвергшийся компрессионной тектонике. В качестве вмещающей породы здесь выступает лампроит, а не кимберлит. Лампроиты с алмазами, не представляющими экономической ценности, также встречаются в США, Индии и Австралии. Это гибридная порода с хаотичным смешением мелких минералов и обломков горных пород (кластов) размером до арбуза. Они состоят из ксенокристаллов и ксенолитов (минералов и пород, поднятых из нижней коры и мантии), фрагментов поверхностных пород, измененных минералов, таких как серпентин, и новых минералов, образовавшихся в процессе извержения. Текстура меняется в зависимости от глубины. Химический состав образует непрерывный ряд с карбонатитами, но в последних содержится слишком много кислорода для существования углерода в чистом виде. Вместо этого он заключен в минерале кальците. Большинство алмазов ювелирного качества формируются на глубинах 150–250 км в литосфере. Такие глубины встречаются под кратонами в мантийных кордах – наиболее толстой части литосферы. В этих областях достаточно высокое давление и температура для образования алмазов, и они не подвержены конвекции, что позволяет алмазам сохраняться миллиарды лет, пока их не извлечет извержение кимберлита.

Источники углерода

Мантия содержит примерно один миллиард гигатонн углерода (для сравнения, в системе атмосфера-океан содержится около 44 000 гигатонн). Углерод имеет два стабильных изотопа, 12C и 13C, в соотношении примерно 99:1 по массе. Еще один экземпляр был обнаружен в алмазном месторождении Эллендейл в Западной Австралии в 2021 году.

В космосе

Хотя алмазы редки на Земле, они очень распространены в космосе. В метеоритах около трех процентов углерода представлено в виде наноалмазов диаметром в несколько нанометров. Достаточно малые алмазы могут формироваться в космическом холоде, поскольку их более низкая поверхностная энергия делает их более стабильными, чем графит. Изотопные характеристики некоторых наноалмазов указывают на то, что они образовались за пределами Солнечной системы, в звездах. Эксперименты при высоком давлении предсказывают, что значительное количество алмазов конденсируется из метана в виде "алмазных дождей" на ледяных гигантах Уране и Нептуне. Некоторые экзопланеты могут состоять почти целиком из алмазов. Алмазы могут существовать в углеродосодержащих звездах, особенно в белых карликах. Одна из теорий происхождения карбонадо, самой прочной формы алмаза, предполагает, что он образовался в белом карлике или сверхновой. Алмазы, образовавшиеся в звездах, возможно, были первыми минералами.

Промышленность

Наиболее распространенные области применения алмазов сегодня – это использование их в качестве драгоценных камней для украшений и в качестве промышленного абразива для резки твердых материалов. Рынки драгоценных и промышленных алмазов оценивают алмазы по-разному.

Бриллианты драгоценного камня

Рассеивание белого света в спектральные цвета является основной гемологической характеристикой ограненных алмазов. В XX веке специалисты по геммологии разработали методы оценки алмазов и других драгоценных камней, основанные на характеристиках, наиболее важных для их ценности как драгоценного камня. Четыре характеристики, неформально известные как четыре C, в настоящее время обычно используются в качестве основных описателей алмазов: это их масса в каратах (один карат равен 0,2 грамма), огранка (качество огранки оценивается по пропорциям, симметрии и полировке), цвет (насколько близок к бесцветному или белый; для цветных алмазов – интенсивность оттенка) и чистота (степень отсутствия включений). Крупный, безупречный алмаз известен как эталонный образец. Существует крупная торговля ограненными алмазами. Хотя большинство алмазов ювелирного качества продаются после новой полировки, существует хорошо налаженный рынок перепродажи отполированных алмазов (например, ломбарды, аукционы, магазины подержанных украшений, алмазные дилеры, биржи и т.д.). Одной из особенностей торговли алмазами является их значительная концентрация: оптовая торговля и огранка алмазов ограничены лишь несколькими местами; в 2003 году 92% мировых алмазов были огранены и отполированы в Сурате, Индия. Другие важные центры огранки и торговли алмазами – это алмазный район Антверпена в Бельгии, где находится Международный геммологический институт, Лондон, Алмазный район в Нью-Йорке, Алмазный биржевой район в Тель-Авиве и Амстердам. Одним из факторов, способствующих этому, является геологическая природа алмазных месторождений: несколько крупных первичных кимберлитовых трубок обеспечивают значительную долю рынка (например, рудник Джваненг в Ботсване, представляющий собой один большой карьер, способный производить от 500 тысяч до 500 тысяч алмазов в год). Вторичные аллювиальные алмазные месторождения, напротив, как правило, распределены между множеством операторов, поскольку они могут быть рассеяны на сотни квадратных километров (например, аллювиальные месторождения в Бразилии). Производство и распределение алмазов в значительной степени консолидировано в руках нескольких ключевых игроков и сосредоточено в традиционных центрах торговли алмазами, наиболее важным из которых является Антверпен, где обрабатывается 80% всех необработанных алмазов, 50% всех ограненных алмазов и более 50% всех необработанных, ограненных и промышленных алмазов вместе взятых. Это делает Антверпен де-факто "мировой столицей алмазов". В городе Антверпен также находится Antwerpsche Diamantkring, созданная в 1929 году и ставшая первой и крупнейшей алмазной биржей, специализирующейся на необработанных алмазах. Другой важный алмазный центр – Нью-Йорк, где продается почти 80% мировых алмазов, включая аукционные продажи. Однако к 2001–2009 годам эта цифра снизилась примерно до 45%, а к 2013 году доля рынка компании еще больше уменьшилась до примерно 38% в стоимостном выражении и еще меньше в объеме. De Beers продала подавляющее большинство своих запасов алмазов в конце 1990-х – начале 2000-х годов, а остаток в основном представляет собой рабочий запас (алмазы, которые сортируются перед продажей). Это было широко освещено в прессе, но остается малоизвестным широкой публике. В рамках сокращения своего влияния De Beers прекратила закупки алмазов на открытом рынке в 1999 году и прекратила в конце 2008 года закупки российских алмазов, добываемых крупнейшей российской алмазной компанией "Алроса". По состоянию на январь 2011 года De Beers заявляет, что продает алмазы только из следующих четырех стран: Ботсвана, Намибия, Южная Африка и Канада. "Алроса" была вынуждена приостановить продажи в октябре 2008 года из-за глобального энергетического кризиса, но компания сообщила, что возобновила продажу необработанных алмазов на открытом рынке к октябрю 2009 года. Помимо "Алросы", другие важные алмазодобывающие компании включают BHP, крупнейшую в мире горнодобывающую компанию; Rio Tinto, владельца алмазных рудников Argyle (100%), Diavik (60%) и Murowa (78%); и Petra Diamonds, владельца нескольких крупных алмазных рудников в Африке. Далее по цепочке поставок члены Всемирной федерации алмазных бирж (WFDB) выступают в качестве посредника для оптовой торговли алмазами, торгуя как ограненными, так и необработанными алмазами. WFDB состоит из независимых алмазных бирж в крупных центрах огранки, таких как Тель-Авив, Антверпен, Йоханнесбург и другие города в США, Европе и Азии. После приобретения у Sightholders (торговая марка, обозначающая компании, имеющие трехлетний контракт на поставку с DTC), алмазы подвергаются огранке и полировке для подготовки к продаже в качестве драгоценных камней (алмазы "промышленного" назначения рассматриваются как побочный продукт рынка драгоценных камней; они используются в качестве абразивов). Огранка и полировка необработанных алмазов – это специализированный навык, сосредоточенный в ограниченном количестве мест по всему миру. Биржи – это последний этап строго контролируемой цепочки поставок алмазов; оптовики и даже розничные торговцы могут приобретать относительно небольшие партии алмазов на биржах, после чего они подготавливаются к окончательной продаже потребителю. Алмазы могут продаваться уже оправленными в ювелирные изделия или без оправы ("неограненными"). По данным Rio Tinto, в 2002 году стоимость произведенных и выпущенных на рынок алмазов составила 9 миллиардов долларов США в виде необработанных алмазов, 14 миллиардов долларов США после огранки и полировки, 28 миллиардов долларов США в оптовой торговле ювелирными изделиями с алмазами и 57 миллиардов долларов США в розничных продажах.

Резание

Добытые алмазы превращаются в драгоценные камни в ходе многоступенчатого процесса, называемого огранкой. Алмазы чрезвычайно твердые, но при этом хрупкие и могут быть расколоты одним ударом. Поэтому огранка алмазов традиционно считается деликатной процедурой, требующей мастерства, научных знаний, инструментов и опыта. Ее конечная цель – создать фасетный камень, где определенные углы между гранями оптимизируют блеск алмаза, то есть дисперсию белого света, в то время как количество и площадь граней определят вес готового изделия. Потеря веса при огранке значительна и может достигать 50%. Рассматриваются различные возможные формы, но окончательное решение часто определяется не только научными, но и практическими соображениями. Например, алмаз может быть предназначен для экспонирования или для ношения в кольце или колье, как самостоятельный элемент или в окружении других драгоценных камней определенного цвета и формы. Некоторые формы считаются классическими, такие как круглые, грушевидные, маркиз, овальные, «сердце» и «стрелы», и т.д. Другие – специальные, разработанные определенными компаниями, например, алмазы Phoenix, Cushion, Sole Mio и т.д. Самая трудоемкая часть огранки – предварительный анализ необработанного камня. Она требует решения множества вопросов, сопряжена с большой ответственностью и поэтому может занимать годы в случае уникальных алмазов. При этом учитываются следующие факторы: твердость алмаза и его способность к раскалыванию сильно зависят от кристаллической ориентации. Поэтому кристаллическая структура алмаза, подлежащего огранке, анализируется с помощью рентгенодифракции для выбора оптимальных направлений распила. Большинство алмазов содержат видимые неалмазные включения и кристаллические дефекты. Огранщик должен решить, какие дефекты необходимо удалить в процессе огранки, а какие можно сохранить. Расколоть алмаз молотком сложно, точно рассчитанный удар под углом может разрезать алмаз по частям, но также может и разрушить его. Альтернативно, его можно распилить алмазной пилой, что является более надежным методом. После первоначального распила алмазу придают форму в многочисленных этапах полировки. В отличие от огранки, которая является ответственной, но быстрой операцией, полировка удаляет материал путем постепенной эрозии и требует значительных затрат времени. Используемая технология хорошо развита, считается рутинной и может выполняться техниками. После полировки алмаз повторно проверяют на наличие возможных дефектов, оставшихся или возникших в процессе обработки. Эти дефекты маскируются с помощью различных методов облагораживания алмазов, таких как повторная полировка, заполнение трещин или продуманное расположение камня в ювелирном изделии. Оставшиеся неалмазные включения удаляются с помощью лазерного сверления и заполнения образовавшихся полостей.

Маркетинг

Маркетинг существенно повлиял на имидж алмаза как ценного товара. Рекламная фирма N. W. Ayer & Son, работавшая с De Beers в середине 20-го века, сумела возродить американский алмазный рынок и создать новые рынки в странах, где ранее алмазных традиций не существовало. Маркетинговая стратегия N. W. Ayer включала размещение продукции, рекламу, ориентированную непосредственно на алмазы, а не на бренд De Beers, а также ассоциации со знаменитостями и представителями королевских семей. Не рекламируя бренд De Beers, компания фактически рекламировала алмазную продукцию своих конкурентов, однако это не вызывало опасений, поскольку De Beers доминировала на алмазном рынке на протяжении всего 20-го века. После мирового экономического кризиса 2008 года доля рынка De Beers временно снизилась до второго места после Alrosa, составив менее 29% в объеме добытых, а не проданных карат. Кампания продолжалась десятилетиями, но была фактически прекращена к началу 2011 года. De Beers продолжает рекламировать алмазы, но теперь реклама в основном продвигает собственные бренды или лицензированные линейки продукции, а не алмазы как "универсальный" продукт. Ювелирная фирма, являющаяся совместным предприятием в пропорции 50/50 между горнодобывающей компанией De Beers и LVMH, конгломератом товаров роскоши. Коричневые алмазы составляли значительную часть алмазного производства и преимущественно использовались в промышленных целях. Они считались непригодными для ювелирных изделий (их даже не оценивали по цветовой шкале алмазов). После разработки алмазной шахты Аргайл в Австралии в 1986 году и проведения маркетинговой кампании, коричневые алмазы стали признанными драгоценными камнями. Это изменение произошло главным образом благодаря объемам: шахта Аргайл, производящая алмазов в год, обеспечивает около трети мирового производства природных алмазов, при этом 80% алмазов Аргайл имеют коричневый цвет.

Алмазы промышленного класса

Промышленные алмазы ценятся главным образом за их твердость и теплопроводность, что делает многие гемологические характеристики алмазов, такие как 4C, неактуальными для большинства применений. Восемьдесят процентов добываемых алмазов (что эквивалентно примерно в год) не подходят для использования в качестве драгоценных камней и используются в промышленности. Помимо добытых алмазов, синтетические алмазы нашли промышленное применение почти сразу после их изобретения в 1950-х годах; в 2014 году было произведено синтетических алмазов, 90% которых были произведены в Китае. Примерно 90% алмазного шлифовального порошка в настоящее время имеет синтетическое происхождение. Граница между алмазами ювелирного качества и промышленными алмазами размыта и частично зависит от рыночной конъюнктуры (например, при высоком спросе на ограненные алмазы некоторые камни более низкого качества будут подвергаться огранке в низкокачественные или мелкие драгоценные камни, а не продаваться для промышленного использования). В категории промышленных алмазов существует подкатегория, состоящая из камней самого низкого качества, преимущественно непрозрачных, известных как борт. Исторически промышленное использование алмазов связано с их твердостью, что делает алмаз идеальным материалом для режущих и шлифовальных инструментов. Будучи самым твердым из известных природных материалов, алмаз может использоваться для полировки, резки или износа любого материала, включая другие алмазы. Распространенные промышленные применения этого свойства включают сверла и пилы с алмазным наконечником, а также использование алмазного порошка в качестве абразива. Для этих целей используются менее дорогие промышленные алмазы (борт) с большим количеством дефектов и худшим цветом, чем у драгоценных камней. Алмаз не подходит для высокоскоростной обработки черных сплавов, поскольку углерод растворим в железе при высоких температурах, возникающих при высокоскоростной обработке, что приводит к значительному увеличению износа алмазного инструмента по сравнению с альтернативами. К специализированным областям применения относятся использование в лабораториях для создания условий высокого давления (см. алмазная ячейка высокого давления), высокопроизводительные подшипники и ограниченное использование в специализированных окнах.

Добыча полезных ископаемых

Приблизительно 100 000 алмазов добывается ежегодно, общей стоимостью почти 9 миллиардов долларов США, и около 100 000 синтезируется ежегодно. Примерно 49% алмазов происходит из Центральной и Южной Африки, хотя значительные источники минерала были обнаружены в Канаде, Индии, России, Бразилии и Австралии. Цепочка поставок алмазов контролируется ограниченным числом влиятельных предприятий и также очень сконцентрирована в небольшом количестве мест по всему миру. Только очень небольшая часть алмазной руды состоит из настоящих алмазов. Руда измельчается, при этом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не разрушить более крупные алмазы, а затем сортируется по плотности. Сегодня алмазы обнаруживаются в фракции, обогащенной алмазами, с помощью рентгеновской флуоресценции, после чего окончательные этапы сортировки выполняются вручную. До того, как использование рентгеновских лучей стало обычным делом,

Исторически, алмазы находили только в аллювиальных отложениях в округах Гунтур и Кришна дельты реки Кришна в Южной Индии. Индия лидировала в мировом производстве алмазов с момента их открытия примерно в 9 веке до н.э. до середины 18 века н.э., но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и в то время Индия уступила место Бразилии, где в 1725 году были найдены первые неиндийские алмазы. Добыча алмазов из первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началась в 1870-х годах после открытия алмазных полей в Южной Африке. Производство увеличивалось с течением времени, и с тех пор было добыто в общей сложности [вставить количество]. Двадцать процентов этой суммы было добыто за последние пять лет, а за последние 10 лет девять новых шахт начали добычу; еще четыре ожидают открытия в ближайшее время. Большинство этих шахт расположены в Канаде, Зимбабве, Анголе и в России. В 2004 году открытие микроскопического алмаза в США привело к отбору проб кимберлитовых трубок в отдаленной части Монтаны в январе 2008 года. Государственный парк «Кратер Алмазов» в Арканзасе открыт для публики и является единственной шахтой в мире, где посетители могут самостоятельно добывать алмазы. По данным Британской геологической службы, в 2005 году Россия добывала почти пятую часть мирового объема производства алмазов. Австралия обладает самой богатой кимберлитовой трубкой, при этом производство алмазного рудника Аргайл достигло пиковых уровней в 42 метрических тонны в год в 1990-х годах. Также есть коммерческие месторождения, активно разрабатываемые в Северо-Западных территориях Канады и Бразилии. Кимберлийский процесс направлен на то, чтобы конфликтные алмазы не смешивались с алмазами, не контролируемыми такими повстанческими группировками. Это достигается путем требования от стран-производителей алмазов предоставлять доказательства того, что деньги, полученные от продажи алмазов, не используются для финансирования преступной или революционной деятельности. Хотя Кимберлийский процесс был умеренно успешен в ограничении количества конфликтных алмазов, поступающих на рынок, некоторые все же попадают в оборот. По данным Международной ассоциации производителей алмазов, конфликтные алмазы составляют 2–3% от общего объема торгуемых алмазов. Два основных недостатка по-прежнему препятствуют эффективности Кимберлийского процесса: (1) относительная легкость контрабанды алмазов через африканские границы и (2) насильственный характер добычи алмазов в странах, которые не находятся в состоянии войны, и алмазы которых, следовательно, считаются «чистыми». для подтверждения подлинности канадских алмазов. Это строгая система отслеживания алмазов, которая помогает защитить «безконфликтный» статус канадских алмазов. Эксплуатация минеральных ресурсов в целом наносит непоправимый ущерб окружающей среде, который необходимо сопоставлять с социально-экономическими выгодами для страны.

Синтетические

Синтетические алмазы – это алмазы, выращенные в лабораторных условиях, в отличие от алмазов, добываемых из земной коры. Геммологическое и промышленное применение алмазов создало высокий спрос на необработанные камни. Этот спрос в значительной степени удовлетворяется за счет синтетических алмазов, которые производятся различными методами уже более полувека. Однако в последние годы появилась возможность создавать синтетические алмазы значительного размера и ювелирного качества. Большинство коммерчески доступных синтетических алмазов имеют желтый цвет и производятся с использованием так называемых высокотемпературных высоконапорных (HPHT) процессов. Желтый цвет обусловлен примесями азота. Также возможно получение других цветов, таких как синий, зеленый или розовый, которые достигаются путем добавления бора или облучения после синтеза. Другим распространенным методом выращивания синтетических алмазов является химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Рост происходит при низком давлении (ниже атмосферного). Метод заключается в подаче смеси газов (обычно от 1 до 99% метана в водороде) в камеру и их разложении на химически активные радикалы в плазме, возбуждаемой микроволнами, горячей нитью, дуговым разрядом, сварочной горелкой или лазером. Этот метод в основном используется для нанесения покрытий, но также позволяет получать отдельные кристаллы размером в несколько миллиметров (см. рисунок). Средние затраты горнодобывающих компаний на добычу природных бесцветных алмазов составляют от 40 до 60 долларов США за карат, в то время как затраты производителей синтетических алмазов на синтетические бесцветные алмазы ювелирного качества в среднем составляют 2500 долларов США за карат.

Симуляторы

Алмазный имитатор – это материал, не являющийся алмазом, который используется для создания вида алмаза и может также называться "диаманте". Кубический цирконий является наиболее распространенным из них. Драгоценный камень муассанит (карбид кремния) также может рассматриваться как алмазный имитатор, хотя его производство обходится дороже, чем производство кубического циркония. Оба материала производятся синтетическим путем.

Улучшения

Алмазные улучшения – это специальные обработки, применяемые к натуральным или синтетическим алмазам (обычно уже ограненным и отполированным в драгоценный камень), предназначенные для улучшения гемологических характеристик камня одним или несколькими способами. К ним относятся лазерное сверление для удаления включений, нанесение заполнителей для заполнения трещин, обработки для улучшения цветового оттенка белого алмаза и обработки для придания цвета бесцветному алмазу. Покрытия все чаще используются для придания алмазному имитатору, такому как кубический цирконий, более "алмазоподобного" вида. Одним из таких веществ является алмазоподобный углерод – аморфный углеродистый материал, обладающий некоторыми физическими свойствами, схожими с алмазом. Реклама утверждает, что такое покрытие передает некоторые из этих алмазоподобных свойств покрытому камню, тем самым улучшая качество имитатора алмаза. Методы, такие как рамановская спектроскопия, позволяют легко выявить такую обработку.

Идентификация

Ранние тесты для идентификации алмазов включали тест на царапины, основанный на превосходной твердости алмаза. Этот тест является разрушающим, поскольку алмаз может поцарапать другой алмаз, и в настоящее время практически не используется. Вместо этого идентификация алмазов основывается на их высокой теплопроводности. Электронные термозонды широко применяются в геммологических центрах для отделения алмазов от их имитаций. Эти зонды состоят из пары термисторов, работающих от батарей, установленных на тонком медном наконечнике. Один термистор выполняет функцию нагревателя, а другой измеряет температуру медного наконечника: если исследуемый камень является алмазом, он будет проводить тепловую энергию наконечника достаточно быстро, чтобы вызвать измеримое падение температуры. Этот тест занимает около двух-трех секунд. В то время как термозонд позволяет отделить алмазы от большинства их имитаторов, для различения между различными типами алмазов, например, синтетическими или природными, облученными или необлученными и т.д., требуются более продвинутые оптические методы. Эти методы также используются для некоторых имитаций алмазов, таких как карбид кремния, которые успешно проходят тест на теплопроводность. Оптические методы позволяют различать природные и синтетические алмазы. Они также могут идентифицировать подавляющее большинство обработанных природных алмазов. "Идеальных" кристаллов (на уровне атомной решетки) никогда не было обнаружено, поэтому как природные, так и синтетические алмазы всегда обладают характерными дефектами, возникающими в процессе их кристаллизации, которые позволяют их различать. Существует несколько методов идентификации синтетических алмазов, выбор которых зависит от способа их производства и цвета. Алмазы, выращенные методом CVD, обычно можно идентифицировать по оранжевой флуоресценции. Алмазы цвета D–J можно проверить с помощью Diamond Spotter Швейцарского геммологического института. Камни в диапазоне цветов D–Z можно исследовать с помощью UV/видимого спектрометра DiamondSure, разработанного компанией De Beers. Аналогичным образом, в природных алмазах обычно присутствуют незначительные дефекты и включения посторонних материалов, которые не встречаются в синтетических алмазах. Скрининговые приборы, основанные на определении типа алмаза, могут использоваться для различения алмазов, которые достоверно являются природными, и алмазов, которые потенциально являются синтетическими. Эти потенциально синтетические алмазы требуют дальнейшего исследования в специализированной лаборатории. Примеры коммерческих скрининговых приборов: D Screen (WTOCD / HRD Antwerp), Alpha Diamond Analyzer (Bruker / HRD Antwerp) и D Secure (DRC Techno).

Этимология, раннее использование и открытие состава

Название алмаз происходит от ἀδάμας (adámas), "прочный, непоколебимый, неразрушимый, необузданный", от ἀ (a), "не" + δαμάω (damáō), "побеждать, усмирять". Считается, что алмазы были впервые обнаружены и добыты в Индии, где на протяжении многих веков вдоль рек Пеннер, Кришна и Годавари можно было найти значительные аллювиальные отложения этого камня. Алмазы известны в Индии как минимум 3000 лет, но, вероятнее всего, 6000 лет. В древней Индии алмазы ценились как драгоценные камни с тех пор, как их использовали в качестве религиозных икон. Их применение в качестве инструментов для гравировки также восходит к ранней истории человечества. Популярность алмазов возросла с XIX века благодаря увеличению предложения, совершенствованию техник огранки и полировки, росту мировой экономики и инновационным, успешным рекламным кампаниям. В 1772 году французский ученый Антуан Лавуазье использовал линзу для концентрации солнечных лучей на алмазе в кислородной атмосфере и показал, что единственным продуктом горения является углекислый газ, тем самым доказав, что алмаз состоит из углерода. Позже, в 1797 году, английский химик Смитсон Теннант повторил и расширил этот эксперимент. Доказав, что при сжигании алмаза и графита выделяется одинаковое количество газа, он установил химическое равнозначие этих веществ.