Алмазная синтетика естественного происхождения

Так выглядит район Попигайского кратера из космоса.
Фото NASA

В 1970 году ленинградский геолог В.Л.Масайтис и его коллеги исследовали межгорную котловину в бассейне реки Попигай, расположенную к юго-востоку от полуострова Таймыр. Здесь они нашли темные горные породы, похожие на вулканические лавы. Восточная Сибирь на огромных площадях покрыта базальтами, поэтому вулканические породы здесь не новинка. Считалось, что котловина – остаток огромного древнего вулкана. У поисковиков был особый интерес, поскольку геологи иногда встречали в речных песках Попигая зернышки черного непрозрачного алмаза, который называют «карбонадо».

Но в Ленинграде выяснилось, что алмазные пилы ломаются при распиливании этих лав. Удивление геологов можно понять: оказалось, что они нашли уникальные породы, буквально пропитанные мелкими алмазами! Такие концентрации алмазов раньше были неизвестны: ведь богатой рудой считаются кимберлиты, если они содержат всего один карат (0,2 г) алмазов на кубометр породы.

Детальное изучение показало, что здесь тесно срастался с алмазом редчайший и малоизученный (особенно в то время) минерал лонсдейлит – гексагональная модификация углерода. Лонсдейлит раньше встречался в метеоритах и астроблемах – крупных метеоритных кратерах, где возникают особо высокие давления и температуры. В отличие от кубического алмаза лонсдейлит тверже, тяжелее и, главное, отличается способностью раскалываться, как слюда, – только по одному направлению. Алмаз же раскалывается по трем направлениям, и это улучшает качество полировальных порошков.

Масайтис с коллегами доказал, что Попигайская котловина – это гигантский метеоритный кратер, диаметр которого достигает 100 км. При таком размере кратера поперечник астероида был 6–7 км, он ударил по Земле 35,7 млн. лет назад и переплавил все окружающие породы, в том числе пласты каменного угля. Это была страшная глобальная катастрофа. Пласты угля или графита при давлении 1,5 млн. атмосфер и температуре 3 тыс. градусов по Цельсию превратились в мелкозернистую смесь лонсдейлита и алмаза. Такие минералы в геологии называют «импактными», то есть ударными.

Возникло уникальное месторождение минералов алмазного типа, не имеющее мировых аналогов ни по размерам, ни по составу. Запасы полезного ископаемого оцениваются в десятки миллиардов карат. Но ресурсы огромного кратера, видимо, надо считать не в каратах, а в сотнях тысяч тонн смеси алмаза и лонсдейлита, что для «алмазников» звучит почти абсурдно, поскольку многократно превышает запасы алмазов всего мира.

Шахты здесь не нужны, руда залегает на поверхности, копай карьер, подгоняй экскаваторы, грузи алмазоносную породу, вези на обогатительную фабрику! Найдены и речные россыпи этих минералов. Но не все так просто. Драгоценных прозрачных алмазов на Попигае нет. Процессы массового обогащения не отработаны. Концентрат плохо изучен. По законам советского времени, данные о колоссальном месторождении были засекречены.

Но в конце 1980-х годов отношение к алмазной кладовой Попигая стало меняться, ценность его падала. Многие страны стали производить десятки тонн дешевых синтетических алмазов. Попигай же находится на «краю света», добираться до него трудно, нужно создавать аэропорт, дороги, обогатительную фабрику, поселок. Технологические пробы попигайской руды показали, что смесь алмаза и лонсдейлита дает неоднородный порошок, поскольку лонсдейлит – минерал пластинчатый в тесном срастании с алмазом и вмещающей породой.

Оказалось, что нужна серьезная работа специалистов-технологов по созданию из этой сложной смеси покрытий для качественных буровых инструментов, полировальных порошков и паст. Развитие технологий и переключение интересов промышленности на синтетику привели к тому, что о Попигае почти забыли, секретность исчезла, геологи начали свободно говорить и писать об уникальном месторождении.

Недавно интерес к Попигаю вновь возник в связи с выступлением академика, директора Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева Сибирского отделения РАН Николая Похиленко. Он сообщил, что сибирские геологи вновь возвращаются к этому уникальному объекту. Гигантские запасы, возможно, действительно сделают этот вид сырья экономически выгодным. Но современное производство успешно освоило синтез как ювелирных, так и технических алмазов. Вопрос в том, возможна ли конкуренция попигайских руд с искусственными алмазами. По словам Похиленко, на рынке технических алмазов лидирует Китай, производящий до 6 млрд. карат (1200 тонн!) высококачественного алмазного порошка в год.

Алмазные пасты и порошки Китая иногда превосходят по абразивным качествам ГОСТы СССР в 2,0–2,4 раза. Массовое производство делает их дешевыми. Кстати, это хороший индикатор уровня развития китайских нанотехнологий. Китай также ведет работы и по выращиванию голубых ювелирных алмазов (с бором) при низких давлениях методом СVD (из газа). Может быть, они освоили синтез и более твердого лонсдейлита. Ведь только под Пекином работает тысяча прессов высокого давления с вольфрамовыми термоустойчивыми сплавами.

Китайцы говорят, что пройдет еще немного времени, и синтетические алмазы будут у них дешевле риса. Сейчас весь остальной мир (без Китая) производит немногим более 100 тонн искусственных алмазов, из них США – 70. Зато в США производят методом СVD крупные (до 30 карат) высококачественные и без металлических включений ювелирные алмазы, неотличимые от натуральных.

Россия когда-то лидировала в производстве алмазной синтетики. Еще в 1969 году российские ученые и инженеры получили алмазы из водородно-метановой смеси. Сейчас эти позиции утрачены. Высокие технологии синтеза не востребованы и утеряны вместе с кадрами специалистов. Некогда передовой Институт синтеза минерального сырья в Александрове (ВНИИСИМС) уничтожен. За ненадобностью 100 аппаратов «БАРС» для алмазного синтеза высокого давления из Новосибирска проданы Белоруссии…

Как свидетельствует заведующая лабораторией синтеза алмазов и композиционных материалов научно-исследовательского института ВНИИАЛМАЗ доктор технических наук, профессор А.В.Ножкина, из десятка заводов алмазной отрасли на территории РФ осталось четыре предприятия, производящих алмазный инструмент в основном из природных алмазов.

В России добывается 35 млн. карат природных алмазов, из них больше половины – технические камни, они дают качественные алмазные порошки. Для нашей умирающей промышленности хватает своих природных алмазов и импорта. Зато возникло много мелких фирм, изготовляющих несложный алмазный инструмент. Ведется также закупка абразивов фирмы «Де Бирс» и Китая. Я бы сказал, что в современной алмазной технической промышленности РФ появился настоящий «блошиный рынок».

Уникальные по запасам и минеральному составу импактные руды Попигая, видимо, смогли бы успешно конкурировать с инструментом из природного алмаза или алмазной синтетики. Изделия из попигайской руды будут отличаться от них повышенной абразивной способностью и теплостойкостью. Но это возможно только в случае разработки современных технологий для такого необычного «космического» сырья.