Cine nu este familiar cu diamantul - acest campion în lumea cristalelor? Suntem fascinați de jocul încântător al luminii pe fețele diamantului lustruit (diamant), care uimesc fermitatea sa de neegalat. Dimensiunile cristalelor sunt de obicei mici (2 - 5 mm), dar se întâlnesc și mostre mari. Cel mai mare dintre toate diamantele minate a cântărit 605 de grame sau mai mult de 3.000 de carate (0,2 kg carat).
Se poate adăuga că pentru toate vremurile până în 1947 s-au găsit 80 de tone de diamante (se estimează că în depozite se găsesc 0,2-0,3 carate de diamante pe 1 mg de rocă).
Deci, un diamant este o piatră prețioasă. În 1797 S. Tennant și-a determinat compoziția chimică. Sa dovedit că el, ca grafitul, constă din carbon pur.
Știm că unele elemente chimice pot exista sub forma a două sau mai multe substanțe simple. Astfel, atomii de oxigen pot fi conectate prin două (gaz de oxigen) sau trei (gaz de ozon), fosfor dă moleculă două și chetyrehatomnye. Acest lucru se datorează faptului că atomii formează molecule în moduri diferite (alotropie). În grafit, atomii de carbon sunt conectate în hexagoane, straturi care se află pe fiecare parte, distanța dintre straturi este egală cu 3.4 A. În același diamant, atomii de carbon sunt situate în colțurile unui tetraedru, a cărei lungime a muchiei este egală cu 1,54 A (Fig. 1). Ce condiții sunt necesare pentru atomi de carbon schimbat locația și transformat în grafit de diamant?
Diamantele se formează în grosimea pământului la presiuni și temperaturi ridicate. Acolo ele cristalizează, iar apoi, ca urmare a erupțiilor, piatra în care se găsesc este expulzată la suprafața Pământului. Este posibil să repetăm acest proces în mod artificial?
Oamenii de stiinta au descoperit ca, daca diamantul este incalzit intr-un mediu de gaz inert la o temperatura ridicata, acesta se va transforma in grafit. Temperatura acestei tranziții depinde de presiune. Cu cât este mai mare presiunea, cu atât este mai mare temperatura, cu atât diamantul este mai stabil.
Sa dovedit că diamantul este stabil numai la presiuni ridicate, variind de la 10 atm la temperatura camerei și până la sute de mii de atmosfere la mii de grade.
De mulți ani, inventatorii, oamenii de știință și vânătorii doar înainte de profit au efectuat sute de experimente, încercând să transforme grafitul într-un diamant, dar fără succes.
Acum este clar pentru noi ce este problema. Sa dovedit că la temperaturi scăzute rata de tranziție a grafitului la diamant este atât de mică încât milioane de ani sunt necesare pentru a obține cel puțin un bob de diamant. Aparent, succesul ar putea fi așteptat la temperaturi ridicate. Dar, în același timp, au fost necesare presiuni foarte mari.
Acum, înainte de a continua povestea despre diamant, să ne reamintim ce presiune este.
Presiunea este forța aplicată unei zone a unității. Greutatea unei persoane, împărțită în zona tălpilor, este presiune. Forța cu care este presată cartușul, aplicată pe zona vârfului acului, este presiunea. Să o calculam. Să presupunem că diametrul vârfului acului este de 0,01 mm sau de 10 mm
3 cm (și acesta este încă un ac stupid). Apoi, vârful este de 0.785 10
6 cm2. Dacă cartușul împinge acul cu o forță de numai 1 g, atunci presiunea sub vârf va fi de 1275 kg / cm2 sau 1275 de atmosfere tehnice. Stingerea țânțarului este chiar mai subțire decât acul și este de înțeles de ce acesta ușor străpunge pielea.
Și ce este presiunea atmosferică? Aceasta este greutatea aerului pe unitatea de suprafață. La nivelul mării, 1 cm2 de suprafață este zdrobită de o forță de aproximativ 1 kgf. De aici și numele: atmosfera tehnică este de 1 kgf / cm2. Presiunea subacvatică
Crește la fiecare 10 m de adâncime cu aproximativ o atmosferă. În interiorul Pământului, presiunea crește și mai rapid. La o adâncime de 150-200 m, ajunge deja la zeci de mii de atmosfere, iar în centrul Pământului - câteva milioane.
Dar, în general, care este limita mărimii presiunii? Limita inferioară este un vid absolut. Într-un spațiu în care nu există o singură particulă de materie, presiunea este zero. Și limita superioară?
Să încercăm să ne imaginăm o cutie a cărei pereți pot rezista la orice presiune. Să începem să injectăm gaze în ea. Moleculele din cutie vor deveni mai înguste. La o anumită densitate, gazul se transformă într-un lichid. Dacă veți continua să pompiți, numărul de molecule din cutie va deveni și mai mare, distanța dintre ele va fi redusă. Moleculele vor fi din ce în ce mai greu de deplasat într-o cutie, viscozitatea gazului va crește și la o presiune de aproximativ douăzeci de mii de atmosfere se va îngroșa. Continuăm contracția. La presiuni de zeci de mii de atmosfere, moleculele se vor apropia atât de aproape unul de celălalt încât aceasta va începe să împiedice electronii să se deplaseze în jurul nucleelor. Vor exista schimbări în cochilii electronice.
Mai mult de jumătate din elementele chimice sunt aranjate astfel încât în orbitele lor electronice interne să existe locuri libere. Cu o comprimare suplimentară (până la sute de mii de atmosfere), electronii din astfel de atomi vor începe să treacă la locuri libere mai aproape de nucleu. În acest caz, proprietățile chimice uzuale ale elementelor se schimbă atât de mult încât se poate construi chiar și un nou sistem periodic de elemente.
La presiuni de milioane și mai multe atmosfere, se poate dovedi că este mai convenabil ca electronii să nu se deplaseze în jurul nucleelor individuale, ci sub forma unui gaz de electroni în apropierea tuturor nucleelor: materia trece într-o stare metalică.
Acesta este acum capabil de a comprima până la presiuni foarte mari și a gazelor și lichidelor și solidelor. Cea mai înaltă presiune atinsă în timpul comprimării solidelor în dispozitivele construite pe principiul ciocan și nicovală (pentru ciocan și nicovală ordinare încă forjare întreg și o bucată de fier își schimbă forma). Din aliaj foarte greu produce două nicovale și plasate între plăcile unei prese hidraulice puternice (fig. 2). Între nicovale se află un strat subțire al substanței investigate.
Când plăcile sunt comprimate, în material se dezvoltă o presiune enormă. Dacă diametrul nicovalei este de 1,6 cm, apoi comprimarea plăcilor cu o forță de 1000 de tone, puteți ajunge la o presiune de 0,5 milioane atm (amintesc cartușul și acul).
Folosind acest principiu, am creat aparate în care au fost obținute mai întâi diamante (figura 3). Se compune dintr-un vas inelar multistrat. Stratul interior este realizat din aliaj superior. Acest strat este purtat cu benzi din oțel dur, oțel moale, cupru și o curea în care circulă apă de răcire. Această alternanță de materiale reduce riscul de fragmentare în cazul în care aparatul se prăbușește. Deasupra și dedesubtul dispozitivului sunt acoperite cu capace multistrat. Părțile interioare ale coperților sunt ștampile din aliaj super-dur. Punching din pirofilit (minerale-aluminosilicate de fier) este pus pe părțile conului de timbre. Are proprietatea de a deveni elastic la temperaturi și presiuni ridicate. În interiorul vasului inelar este introdus un container de pirofilită, în care există o tijă de grafit și un catalizator. Când este încălzit, catalizatorul se topește, grafitul se dizolvă în topitură și transformarea sa în diamant are loc mai ușor.
Toate cele trei părți ale aparatului sunt colectate, introduse în presa hidraulică și încep să crească presiunea. Pirofilitul umple toată slăbirea dintre timbre și vasul inelar și împiedică scăderea presiunii.
Pentru a încălzi conținutul recipientului, un curent mare trece prin ștampile. Stampilele sunt izolate de presă și sunt conectate prin garnituri metalice cu o tijă de grafit în recipient. Curentul care trece prin acest circuit electric poate încălzi grafitul la 3000 °.
Treceți zeci de minute. Procesul este complet. În interiorul containerului nu mai este grafit, ci cristalele diamantului. Aparatul este răcit, presiunea este coborâtă, iar masa în care este localizată diamantul este scos din recipient.
De ce este scos un diamant din aparat nu se transformă din nou în grafit? La urma urmei, este în mod normal instabil? Problema este din nou în viteza procesului: este atât de lent încât nu o putem observa.
Deci, diamantul este obținut. Acestea sunt cristale mici care au crescut într-o perioadă de câteva minute, mai degrabă decât secole, necesare pentru creșterea cristalelor mari de diamante naturale. Ele nu pot fi folosite pentru a face bijuterii. Dar ele sunt foarte necesare.
Diamond este cea mai grea substanță. Prin urmare, se fabrică tăietoare, burghie, tăietoare, roți de șlefuit, burghie, șaibe, etc. Uneltele de diamant procesează cele mai grele aliaje cu o viteză și o puritate extraordinară. Tehnologia și industria au nevoie mare de diamante. Și acum, în scopuri tehnice, se creează producția de diamante artificiale.
Cu ajutorul presiunilor mari, a fost posibil să se creeze borazon - o nitrură de bor cristalină, duritate comparabilă cu diamantul și utilizată pentru prelucrarea substanțelor superioare și a aliajelor. Cercul artificial, produs și sub presiune, a găsit aplicații în domeniul radiotehnicii.
În ceea ce privește bijuteriile diamante, timpul lor va veni. Pentru aceasta, este necesar să se creeze dispozitive în care să se poată menține presiuni și temperaturi ridicate pe termen nedefinit, în scopul creării condițiilor pentru creșterea lentă a cristalelor mari. Dar aceasta este afacerea viitorului.
Plasarea fotografiilor și citarea articolelor de pe site-ul nostru cu alte resurse este permisă cu condiția să fie indicată legătura cu sursa și fotografiile.