УНИКАЛЬНЫЙ КАМЕНЬ — УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

В наши дни в средней школе на уроках физики и химии учащиеся узнают, что такие, казалось бы, полярные по своим свойствам и непохожие друг на друга вещества, как графит и алмаз, на самом деле являются так называемыми полиморфными модификациями одного и того же химического элемента — углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы, — это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. В алмазе атомы углерода размещаются очень плотно, причем каждый из них прочно связан с четырьмя окружающими его атомами. В структуре же графита выделяются параллельные плоские сетки, состоящие из шестиугольников с атомами углерода в вершинах. В каждой отдельно взятой плоской сетке (слое) связь между атомами углерода довольно прочная, а между слоями — слабая. Разницей в кристаллической структуре и объясняется разительная несхожесть свойств графита и алмаза.

Казалось бы, элементарный, всем известный факт. Но чтобы его установить, потребовались усилия таких гигантов науки, как И. Ньютон, А. Лавуазье, М. В. Ломоносов, X. Дэви, X. Брегг, и многих других. Действительно, ведь надо было прийти к совершенно парадоксальному умозаключению, что алмаз — эта величайшая драгоценность, твердейшее на земле вещество — в химическом отношении полностью (если не учитывать случайных примесей) аналогичен графиту, древесному и каменному углю, саже, т. е. веществам, широко распространенным и далеко не самым привлекательным по своему внешнему облику.

Рассмотрим, каковы же свойства алмазов, совокупность которых делает этот камень уникальным природным объектом.

Твердость. То, что алмаз твердейшее вещество на земле, было известно с незапамятных времен. В древнем санскритском стихотворении говорится о фарии (по-санскритски «фария» — алмаз) так:

Фария не может царапать никакой

Драгоценный камень —

Он царапает все камни.

Фарий царапает фария…

Греческие поэты Гесиод и Эсхил писали, что адамас (греческое название алмаза) годится для изготовления шлема Геракла и цепей Прометея, т. е. предметов, несокрушимость которых стала нарицательной. Да и само название «алмаз», по разным версиям, происходит либо от греческого «адамас» (непреодолимый, несокрушимый), либо от арабского «ал-мас» (твердейший).

В 1812 г. немецкий ученый Фридрих Моос ввел ставшую впоследствии широко применяемой десятибалльную шкалу относительной твердости минералов (табл. 1).

Эта шкала указывает, какой минерал тверже, но ничего не говорит о том, насколько тверже. Определяется твердость минералов по шкале Мооса с помощью санскритского рецепта «кто кого царапает».

Однако в наше время необходимы и количественные, точные определения твердости. С этой целью используются различные микротвердометры, главной деталью которых является четырехгранная алмазная пирамидка. Пирамидка под строго определенной нагрузкой вдавливается в испытуемый материал и оставляет в нем отпечаток, неразличимый невооруженным глазом, но хорошо видимый под микроскопом. Твердость выражается в условных единицах. Из табл. 1 видно, что алмаз тверже талька, стоящего в начале шкалы Мооса, почти в 5000 раз, в 7–8 раз тверже кварца и топаза, занимающих высокие места в шкале, и почти в 5 раз тверже своего главного конкурента — корунда. Что же касается искусственных материалов, то по микротвердости алмаз превышает твердые сплавы впятеро, а быстрорежущую сталь — в 10 раз.

Алмазам, как и другим кристаллическим телам, свойственна анизотропия некоторых характеристик (т. е. вариации этих характеристик в различных кристаллографических направлениях), в том числе и анизотропия твердости, что обусловлено особенностями внутреннего строения кристаллов. Твердость меняется не только от грани к грани, но и нередко в пределах одной и той же грани кристалла, что необходимо учитывать при обработке алмаза и при работе с алмазным инструментом. Так, при обработке одного алмаза другим их следует так взаимно ориентировать, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости, а износ алмазного инструмента — в направлении наибольшей.

Необходимо подчеркнуть, что предел прочности на изгиб и на сжатие у алмаза сравнительно низок, поэтому он достаточно хрупок и при резком и сильном ударе может расколоться. Колется он по системе плоскостей, параллельных определенным граням кристалла. В минералогии такое свойство называется спайностью. Наличие плоскостей спайности позволяет при обработке алмаза вместо сошлифовки откалывать кусочки кристалла, которые имеют различные дефекты или мешают приданию требуемой формы бриллианту или какому-нибудь техническому изделию из алмаза. С другой стороны, повышенная хрупкость алмаза являясь, безусловно, «слабым местом» алмазного инструмента, обусловливает необходимость его оберегания от резких неожиданных ударов. Даже использование стальных щипцов при сортировке бриллиантов требует определенного навыка, иначе можно легко обломать острые края камней.

Надо отметить, что в древние времена эти два свойства алмазов — твердость и прочность — зачастую не различались. Римский историк и естествоиспытатель Гай Плиний Старший писал, что «алмаз так сопротивляется ударам молота на наковальне, что молот разлетается, а сама наковальня растрескивается». Проведи Плиний сам такой опыт, он бы убедился, что как раз молот и наковальня у него бы остались, а драгоценный камень превратился бы в пыль. Мнение о несокрушимости алмазов под мощными ударами было широко распространено в древности, что зафиксировано в письменных документах и устных легендах разных времен и народов.

Прочие физико-механические свойства. Важное значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5–0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая превышает износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов — в сотни и тысячи раз. В результате, например, при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600—3000 раз меньше, чем любого другого абразива.

Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

Термические свойства. Температура плавления алмаза составляет 3700–4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850— 1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720–800 °C, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ. При нагреве до 2000–3000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Рассматриваемый минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью, что обусловливает быстрый отвод тепла, возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.

Оптические свойства. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063, Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным.

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Электрические и магнитные свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Эти алмазы, как правило, голубого цвета. Они очень высоко ценятся, но, к сожалению, исключительно редки.

Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов — магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации «магнитные» алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.

Окраска. Большинство природных алмазов бесцветно, однако нередки также камни самых разнообразных цветов и оттенков. Наиболее часто встречаются алмазы со слабым желтоватым оттенком, а также зеленоватые. В месторождениях Южной Африки зачастую попадаются бурые алмазы; за счет значительных примесей аморфного углерода они могут приобретать совершенно черную окраску. А вот розовые, рубиново-красные, розовато-лиловые и синие очень редки. Что касается алмазов сапфирово-синего цвета, то это, как уже отмечалось, явление исключительное, и ценятся они соответственно очень высоко.

Поверхность алмазов из наиболее древних месторождений (возраст которых превышает 1 млрд. лет) имеет зеленую окраску, которая, однако, исчезает при механической обработке кристалла. Ученые объясняют возникновение зеленой «рубашки» на алмазах продолжительным воздействием на них естественного радиоактивного облучения. Сейчас это явление воспроизведено экспериментально.

В США, Великобритании и ряде других стран искусственное окрашивание природных алмазов производят в лабораторных условиях. Если «бомбардировать» алмаз электронами с энергией 1 МэВ, а потом с определенной скоростью охлаждать, то он приобретает синеватый цвет. Если энергия облучения достигает 1,5 МэВ, то алмаз становится сине-зеленым. Оттенок цвета зависит от продолжительности излучения. К сожалению, искусственно окрашенные голубые алмазы, в отличие от природных голубых, не приобретают полупроводниковых свойств.

При облучении нейтронами алмаз окрашивается в зеленый цвет, густота которого также определяется продолжительностью излучения. Гамма-лучи придают алмазу равномерную голубовато-зеленую окраску.

Прочие свойства. Алмаз — минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000–1200 °C также окисляют алмаз. При нагревании до 800 °C в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т. е. не смачивается водой. Из-за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно-песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности — гранатами, ильменитами. Последние называют минералами — спутниками алмаза: они помогают геологам отыскивать алмазные месторождения.

В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чем основаны некоторые способы извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы.

Форма кристаллов. Большая часть алмазов встречается в природе в виде отдельных хорошо оформленных кристаллов или их обломков. Преобладают октаэдры, ромбододекаэдры и кубы (рис. 1), а также их комбинации.

Рис. 1. Наиболее распространенные формы кристаллов алмаза. Плоскогранные: а — октаэдр, б — ромбододекаэдр, в — куб, г — комбинация этих форм; кривогранные: д — октаэдроид, е — додекаэдроид, ж — гексаэдроид, з — комбинация этих форм.

Это кристаллы с ровными плоскими гранями. Так их и называют — плоскогранными.

Реже встречаются кривогранные, округлые кристаллы, однако в некоторых месторождениях они преобладают. Зачастую кристаллы алмаза срастаются друг с другом или же как бы «прорастают» друг друга, образуя соответственно так называемые двойники срастания и прорастания.

Практически во всех алмазных месторождениях присутствуют микро- и скрытокристаллические агрегаты, сложенные сотнями тесно сросшихся мельчайших зерен алмаза. Они подразделяются на борт, баллас и карбонадо. Бортом обычно называют неправильные мелкозернистые сростки (по технической классификации к борту относятся также трещиноватые монокристаллы). Балласы представляют собой шарообразные агрегаты радиально-лучистого строения, карбонадо — тонкозернистые агрегаты, имеющие массивное, пористое, коксовидное и шлаковидное строение. Наиболее ценятся массивные карбонадо, покрытые эмалевидной корочкой, которая тверже самого алмазного ядра. Карбонадо незаменимы для изготовления алмазных буровых коронок.

Размеры алмазов. Обычно размеры алмазных зерен варьируют от долей миллиметра до 0,5–1 см в поперечнике, но встречаются и очень крупные кристаллы.

Единицей массы драгоценных камней, в том числе и алмазов, является карат. По одной версии, термин «карат» происходит от греческого слова «кератониа» («маленький рог»). Так называлась росшая в Средиземноморье акация, семена которой греки долгое время использовали в качестве своеобразных гирек при взвешивании драгоценных камней. По другой версии, слово «карат» ведет свою родословную от «куара» — так греки называли коралловое дерево (Erytrina corallodendron). Масса семечек обоих деревьев удивительно постоянна и составляет в среднем 205 мг.

Вплоть до начала XX века в разных странах использовались караты разной величины. Например, флорентийский карат равнялся 197,2 мг, мадридский — 205,3, берлинский — 205,4, амстердамский — 205,7, венский — 206 мг. В 1914 г. был введен единый метрический карат, равный 200 мг (0,2 г). В Советском Союзе он официально действует с 1922 г. Алмаз массой в один карат имеет диаметр около 0,5 см (рис. 2).

Рис. 2. Бриллианты различного размера в натуральную величину, в каратах: 1–0,5; 2–1; 3–2; 4–3; 5–5; 6-10.

Классификация алмазов. Попытки классифицировать алмазы предпринимались с незапамятных времен. Так, древние индусы разделяли алмазы, как и людей, на четыре касты: брахманы, кшатрии, вайшии и шудры. К брахманам относились прозрачные высококачественные кристаллы, к кшатриям и вайшиям — камни более низкосортные с красноватым оттенком, к шудрам — наиболее низкокачественные алмазы серого цвета. Соответственно шудры оценивались в четверть, вайшии — в половину, а кшатрии — в три четверти стоимости брахманов.

В настоящее время существует множество классификаций алмазов, основанных на различных принципах. В одних классификационных схемах сделаны попытки учесть все свойства алмазов, в других — в основу положен генетический принцип, т. е. представления об условиях образования тех или иных групп алмазов. В Советском Союзе наибольшее распространение получили классификационные схемы Ю. Л. Орлова и 3. В. Бартошинского. В то же время ювелиры, подходя к данному вопросу со своих позиций, разделяют алмазы почти на тысячу сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.

Некоторые зарубежные фирмы используют классификацию, в основу которой положены качество и ценность алмазов. В нашей стране принята классификация, где учитываются качество алмазов, их масса, размерность и сфера применения. По качеству выделяется девять категорий природного алмазного сырья. К категориям 1 и 2 отнесены ювелирные алмазы, к остальным — различные сорта технических. В свою очередь, категории подразделяются на группы с учетом массы и размеров кристаллов, а группы — на подгруппы с указанием области использования алмазов.