Алмаз — минерал с уникальными характеристиками. Он обладает высокой теплопроводностью, химической, радиационной и износостойкостью. Он самый твердый минерал на Земле. И самый красивый. Благодаря своим неповторимым свойствам алмаз применяется не только в ювелирном деле, но и в микроэлектронике, оптике, медицине и обрабатывающей промышленности.
Сажа и алмаз
Добыча алмазов — сложный и дорогостоящий процесс. Большие и чистые кристаллы в природе встречаются довольно редко. И неудивительно, что человек издавна стремился изобрести искусственные камни с такими характеристиками.
В 1694 году флорентийские ученые Аверани и Тарджиони случайно обнаружили, что алмазы горят, если нагреть их до очень высокой температуры.
Потом с алмазами экспериментировали Ньютон и Лавуазье, Дэви и Фарадей. В результате этих исследований стало ясно, что сверкающие прозрачные камни по своей химической сути являются тем же самым, что сажа и графит, то есть углеродом, и отличаются друг от друга только расположением атомов в кристаллической решетке.
В алмазе каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами. В результате получается правильная и очень прочная четырехгранная пирамида. А у графита слоистая структура, где связи между атомами существуют только внутри слоя, но не между.
Как только выяснился состав алмаза, начались многочисленные попытки его синтезировать. Поначалу казалось, что это будет очень просто: взять один углерод и превратить его в другой. Однако на деле все было иначе. Алмазы исправно горели, превращаясь в сажу. Но вот сажа никак не хотела превращаться обратно в сияющие кристаллы.
Без взрывов не обошлось
Первые серьезные эксперименты по синтезу искусственных алмазов были проведены в России в 1823 году общественным деятелем и химиком-самоучкой Василием Каразиным. Безуспешно.
В 1828 году французский физик, химик и механик барон Шарль Каньяр де Ла-Тур вроде бы получил синтетические камни. Но позже выяснилось, что его «алмазы» были кремнеземом.
Через пятьдесят лет, в 1878 году, серию экспериментов по синтезу алмазов начал шотландский химик Джеймс Хэнней. Он нагревал смесь, состоящую из углеводорода, нескольких граммов лития и костяного масла, в запаянных железных трубках. Из 80 экспериментов, проведенных Хэннеем за два года, только три обошлись без взрывов.
В этих трех успешных попытках Хэннею удалось получить несколько мелких кристалликов. Он был уверен, что это искусственные алмазы. А вот научная общественность отнеслась к заявлению шотландского химика весьма скептически. Хэнней был настолько уязвлен, что сошел с ума и остаток жизни провел в психиатрической больнице.
Кстати, много позже, уже в середине ХХ века, алмазы Хэннея, находившиеся в минералогической коллекции Британского музея, исследовали с помощью рентгеновского анализа. Оказалось, что это и в самом деле алмазы. Редкой чистоты и красоты. Но природные, а не синтетические. Кто был автором фальсификации — неизвестно.
В 1887 году сэр Чарльз Парсон, кораблестроитель и изобретатель паровой турбины, придумал достаточно оригинальный способ получения искусственных алмазов. Он закладывал исходный материал в некий цилиндр и… стрелял туда из ружья для охоты на уток. В результате ему удалось настрелять несколько очень мелких кристаллов, похожих на алмазы. Но какие минералы на самом деле синтезировал Парсон — неизвестно.
Первый прорыв в деле искусственных алмазов произошел в 1933 году. По крайней мере, так всем показалось. Немецкий химик Ганс Карабачек сумел синтезировать алмазы и получил на этот сложный процесс патент.
Коллекция первых в мире синтетических алмазов достаточно долго демонстрировалась в Гарвардском музее. Пока до нее не добрались исследователи. И тут обнаружилась, что «синтетические алмазы Карабачека» родом из рудников ЮАР, а вовсе не из лабораторных печей.
В общей сложности на протяжении всего XIX и начала XX веков 29 ученых из разных стран мира пытались синтезировать алмазы. Всё безрезультатно.
Задача превращения графита в алмазы была решена только в 1939 году. Это сделал — из чисто научного любопытства — советский физик-ядерщик Овсей Ильич Лейпунский.
Опальный физик
В большой и дружной семье Лейпунских было десять детей. Шесть своих и четверо приемных. До 1914 года Лейпунские жили в Польше, в городе Белостоке, потом переехали в Ярославль. Так в России и остались.
Все дети Ильи Исааковича и Софьи Наумовны Лейпунских получили высшее образование. Трое из них — Овсей, Александр и их сестра Дора — окончили физико-механический факультет знаменитого Ленинградского политехнического института. Они учились у великого Иоффе и стали впоследствии знаменитыми физиками-ядерщиками.
В 1935 году Александра отправили в научную командировку в Кембриджскую лабораторию к Эрнесту Резерфорду. Там он первым в мире экспериментально доказал факт существования нейтрино. А через три года молодого академика Александра Лейпунского арестовали.
К счастью, под следствием Лейпунский пробыл недолго. Всего два месяца. Но за это время успел потерять работу его младший брат Овсей. Он категорически отказался осудить брата на комсомольском собрании, за что и был уволен из института химической физики. Нужно было как-то зарабатывать на жизнь, и Овсей Ильич начал писать статьи для научно-популярных журналов.
Как-то раз журнал «Знание — сила» заказал Лейпунскому материал про алмазы и про перспективы их синтеза. Химическими реакциями при высоких давлениях Овсей Ильич занимался в своем институте еще до увольнения. Как таковой синтез алмазов физика-ядерщика не интересовал, но Лейпунский тогда задумался: при каких условиях может возникнуть алмазная фаза углерода?
Статья была написана и сдана. А интерес к синтезу алмазов остался. И Овсей Ильич занялся решением этой головоломной задачи, над которой физики и химики бились уже несколько сотен лет.
На решение ушел целый год. Сначала Овсей Ильич вывел три необходимых условия успешного синтеза алмазов: температура не ниже 1700о С, давление порядка 60 000 атмосфер плюс подходящий катализатор. То есть такая среда, в которой можно было бы растворить углерод и держать нужные температуру и давление хотя бы несколько минут. В качестве катализатора можно было использовать жидкие металлы: железо, платину или родий.
Ученый также составил уравнение так называемой линии равновесия на диаграмме алмаз-графит и подсчитал, что погрешность данной формулы составляет 10-12%, что, по его собственному мнению, было вполне приемлемо для практических целей синтеза алмаза.
Овсей Ильич поделился своими идеями с Леонидом Верещагиным — заведующим лабораторией сверхвысоких давлений. Они написали совместную докладную записку в Высший совет народного хозяйства, но ответа не дождались.
Теоретически открытие было сделано, метод получения искусственных алмазов изобретен. Но проверить эту теорию на практике опальный физик не мог, поскольку не имел доступа в институтские лаборатории. Единственное, что ему удалось, — опубликовать статью с подробными расчетами, графиками и таблицами в журнале «Успехи химии».
Однако советская научная общественность открытие века не заметила.
Зато публикацию в журнале «Успехи химии» заметили специалисты шведской фирмы АSЕА. И у них, в отличие от Лейпунского, было все необходимое оборудование.
Шведы против американцев
Первые в мире искусственные алмазы были получены в 1953 году. Их «испекли» специалисты шведской фирмы АSЕА инженер Эрик Лундблад, механик Валин и ассистент Эрикссон.
У шведов очень долго ничего не получалось, хотя все необходимые условия, предложенные Лейпунским, выполнялись в точности: давление, температура и среда-растворитель. Но печку — блок высокого давления — буквально разрывало на части. В какой-то момент инженер Лундблад предложил стягивать блок рояльными струнами. Для каждого опыта приходилось наматывать на блок триста метров струн. А после опыта все эти триста метров нужно было разматывать…
И вот, наконец, 17 февраля 1953 года шведам улыбнулась удача.
Самые первые крошечные алмазы были пригодны только для абразивной пудры. Тем не менее фирма АSЕА развернула производство и через очень непродолжительное время начала получать заказы на изготовление алмазного порошка. Одновременно группа специалистов продолжала эксперименты, пытаясь вырастить более крупные кристаллы. Пусть не для ювелирных, но хотя бы для технических нужд.
При этом о своих достижениях специалисты АSЕА не распространялись, патент не оформляли, на мировой приоритет не рассчитывали. Правда, и приоритет Лейпунского признавать не спешили. Тихо «пекли» алмазы и также тихо торговали ими по всей Европе.
Гром среди ясного неба грянул в 1955 году, когда американская компания General Electric также наладила синтез алмазов, оформила мировой патент и двинулась в Европу, где начала достаточно агрессивно гнать с рынка шведов.
Шведы долго сопротивлялись, но в конце концов пошли в контратаку. В 1968 году они подали на американцев жалобу в Мюнхенский патентный суд. В заявлении компании АSЕА было указано, что способ промышленного синтеза алмазов разработан советским ученым Лейпунским и описание технологии опубликовано в СССР еще в 1939 году, следовательно, американская компания General Electric получила свой патент незаконно.
Процесс был шумным и долгим. Во время скандала неожиданно всплыла информация, что в СССР тоже налажено производство синтетических алмазов для европейского рынка, а внутренний патент оформлен на… академика Верещагина!
Самым удивительным во всей этой истории было то, что сам автор открытия Овсей Ильич Лейпунский ничего не знал ни про шведов, ни про американцев, ни про «свечной заводик» своего бывшего друга и коллеги.
Международный скандал удалось потушить только благодаря тому, что Лейпунский выступил экспертом на суде. Иски были отозваны, патент компании «Дженерал электрик» опротестован, торгово-промышленная палата СССР избежала выплаты штрафа в несколько миллионов долларов.
Что получил изобретатель? Ничего.
Но все же справедливость восторжествовала. 5 января 1971 года работа Лейпунского была признана открытием с приоритетом от даты публикации. И хотя самые первые искусственные кристаллы «испекли» шведы, автором промышленного способа получения искусственных алмазов по праву считается советский физик-ядерщик Овсей Ильич Лейпунский. Который решил эту очень сложную и очень важную техническую задачу из чисто научного любопытства.
Автор: Марина Собе-Панек
