«Крохотный алмаз — океан информации»: магистрант СПбГУ Александра Лебеденко — об исследовании дефектов в кристаллах алмазов
Об особенностях, происхождении и методах изучения дефектно‑примесных центров в природных и синтетических алмазах рассказала инженер ресурсного центра микроскопии и микроанализа СПбГУ, студентка программы «Геология» магистратуры Александра Лебеденко.
Откуда у вас появился интерес к изучению минералов?
Когда на первом курсе на предмете «Общая геология» мой детский ум начали наполнять теорией, я была в восторге и не могла осознать, как в привычном мире вокруг может быть так много всего интересного. Я училась у потрясающих профессоров Владимира Герасимовича Кривовичева, Алексея Ильича Брусницына, а теперь планирую поступать в аспирантуру, стать преподавателем и также как они достичь высот в науке.
Как вы поняли, что хотите исследовать именно алмазы?
Знакомство с алмазами началось с предмета «Геммология» (учение о драгоценных камнях), который вел преподаватель Игорь Вячеславович Клепиков. После одной из пар я подошла к нему и попросила его руководить моей выпускной квалификационной работой. Он предложил три варианта исследования: изучать только природные алмазы, только синтетические или все сразу. Я долго думала и выбрала третий вариант. Так появилась тема «Закономерности распределения дефектов и примесей в кристаллах природных и синтетических алмазов».
Где вы берете образцы для исследования?
Натуральные алмазы я беру в учебной коллекции кафедры минералогии СПбГУ. Синтетические алмазы мне предоставляет Игорь Вячеславович, он работает в ООО «НПК "Алмаз"» в Сестрорецке.
Размер алмазов измеряется в каратах, это примерно 0,2 грамма. Кстати, слово «карат» происходит от названия семян караибского дерева, которые служили в древности природной мерой веса алмазов. Я работаю с мелкими и средними образцами (до одного карата), но даже крохотный алмаз — океан информации.
В чем разница между природными и синтетическими алмазами?
Природные создавались в природе на протяжении многих лет, а искусственные сделаны человеком в лабораторных условиях в кратчайшие сроки. У синтетических (или искусственных) алмазов несколько методов производства, основные из них — CVD (химическое осаждение из газовой фазы) и HPHT (технология выращивания при высоком давлении и высокой температуре). Для HPHT используют многотонные прессы. Процесс синтеза алмаза происходит при температуре около 15000 C и давлении порядка 50 000 атм.
Как получаются дефектные алмазы?
Природные алмазы образуются глубоко в земле (от 100 до 200 км) под воздействием высокой температуры и давления. Процесс формирования долог, и во время роста у большинства алмазов появляются дефекты — различные по размеру, форме и расположению. Внутри алмаза могут быть минералы, трещины, включения. Бывают довольно крупные газовые пузырьки или такие мелкие, что рассмотреть их можно только при увеличении.
В редких случаях природный алмаз не имеет дефектов, его называют безупречным.
То есть искусственно созданные алмазы не имеют дефектов?
Обычный дефект — металлические включения. Они возникают в процессе роста, когда для ускорения добавляют катализатор, и алмаз захватывает его в себя. Искусственные алмазы также несовершенны, но их качество намного выше, чем у природных. В своей дипломной работе я сравниваю оба вида алмазов и выясняю, каким дефектам чаще подвержены те и другие.
Если синтетические алмазы лучше по качеству, почему в ювелирных украшениях чаще используют природные алмазы?
Дефекты неизбежны, но и необходимы. Алмазы бывают разных цветов: желтого, коричневого, оранжевого. Это происходит из‑за азота: например, один‑два атома в структуре меняют цвет на желтый. Такие камни стоят дешевле и намного больше распространены. А вот голубые алмазы получаются из‑за атома бора, они редки и очень красивы. В ювелирном деле используются преимущественно природные алмазы как раз из‑за своих прекрасных недостатков. Хотя некоторые крупные ювелирные компании полностью перешли на синтетические бриллианты.
То есть один атом в структуре может полностью изменить алмаз?
Конечно. В минералогии все зависит от структуры. Ею, кстати, занимаются кристаллографы. Изначально алмаз — это графит, измененный под воздействием высокой температуры и давления. Кристаллическая решетка графита, из которого выращивают алмазы, вытянута, имеет слои. А у алмаза кристаллическая решетка сплющена, за счет этого он и имеет непревзойденную твердость.
Говоря о значимости структуры, можно привести пример обычной соли (галита): натрий, хлор, натрий, хлор. Когда в структуре появляется дефект, вместо нужного элемента на его место встает другой или остается вакансия. Если в цепочке «натрий, хлор» вместо первого атома встанет калий, будет уже не галит, а сильвин. Галит можно употреблять в пищу, он обеззараживает, а сильвин смертельно опасен.
В каких еще сферах нужны дефектные алмазы?
Алмазы с дефектно‑примесными так называемыми «NV центрами» отвечают за люминесценцию (это способность материалов излучать свет). С их помощью делают лазеры с определенной длиной волны, катодные, рентгеновские лучи, гироскопы, квантовые компьютеры.
А где применяются чистые алмазы?
Они используются в производстве технических, космических, ракетостроительных сферах. Для лазерной установки, например, нужны идеально чистые алмазы, чтобы лазер проходил ровно и не преломлялся.
Как проходит исследование образцов в ходе дипломной работы?
Я работаю инженером в ресурсном центре микроскопии и микроанализа СПбГУ — это лаборатория, оснащенная современным оборудованием. В атомно‑силовом микроскопе я узнаю рельеф (морфологию) образца, уточняю неровности и шероховатости. Специальная иголочка (кантиливер) стучит по поверхности образца и печатает графики фиксации подъема и спуска.
Когда я помещаю образец в электронный микроскоп, он облучается электронами. Изображение, рассеянное обратно от этих электронов, выводится на экран, также выводится энергодисперсионный спектр, и я узнаю состав включений в алмазе: 10 % того, 56 % того и так далее.
При работе за поляризационным микроскопом в скрещенных николях алмазы не должны светиться, они должны быть абсолютно черными, но таких практически не существует, поэтому я вижу аномальное двупреломление (белое, серое, желтое, синее сияние).
Однажды мне пришлось стереть образец до определенной дисперсии, облучить полученный порошок рентгеновскими лучами, чтобы получить информацию о расстоянии между атомами и углами между ними. Это рентгенофазовый анализ, он помогает открывать новые структуры минералов.
Еще я пользуюсь конфокальной микроскопией. Но, конечно, помимо практики изучаю еще и теорию происхождения.
Какова практическая значимость вашего исследования?
Моя работа имеет теоретическое и практическое значение. Во‑первых, будет проще отличать природные алмазы от синтетических, что важно в ювелирном деле. Отличить природный и лабораторный алмаз на глаз не получится, на это способно высокотехнологичное оборудование. В будущем обещают наносить внутрь драгоценного камня информацию, которую можно увидеть под микроскопом: когда добыт, кем, сколько весит, какого цвета и т. д. А пока эта технология недоступна, нужно узнавать самостоятельно, настоящий камень у вас в украшении или нет.
Сотрудники ООО «НПК "Алмаз"» активно поддерживают научную сферу и неспроста заинтересованы в моей работе. Знание закономерностей распределения дефектов позволит улучшить методы выращивания синтетических алмазов.
Есть совет для тех, кто вдохновится твоей историей?
Если вас тянет к какой‑либо деятельности, не бойтесь, слушайте сердце. Однажды я прислушалась и нашла призвание жизни.