Разработки НПЦ НАН Беларуси по материаловедению известны далеко за пределами нашей страны. Среди них – графен, уникальные защитные покрытия для космических аппаратов, электронная керамика. В стенах Центра также производят синтетические алмазы, изумруды, сапфиры и еще целый ряд уникальных самоцветов. Отличить их от настоящих смогут только профессионалы при наличии оборудования, а вот купить может каждый. При этом стоят камни на порядок меньше природных.

Белорусский эксклюзив

История искусственных сверхтвердых кристаллов в СССР началась в начале 1960-х годов.

– В те годы созданием искусственных алмазов и кристаллов кубического нитрида бора, у которого в узлах решетки на месте атомов углерода бор и азот, занимались всего три научно-производственных центра – в Подмосковье, Киеве и Минске, – рассказывает заместитель генерального директора по научной и инновационной работе НПЦ НАН Беларуси по материаловедению кандидат физико-математических наук Олег Игнатенко. – Наш предшественник, Институт физики твердого тела и полупроводников АН БССР, специализировался именно на производстве кубического нитрида бора. Под торговыми марками "Белбор" и "Светланит" инновационный материал и изделия из него поставлялись по всему Союзу.

Кубический нитрид бора по прочности на четверть превосходит алмазы и изделия из них. Кроме того он химически инертен, обладает большей радиационной и термической стойкостью. Сегодня разработаны два типа этого материала: черный и янтарный. Второй – более твердый.

Однако история отечественного производства могла оказаться весьма трагичной. В 90-е из-за развала производственных связей белорусские сверхтвердые материалы оказались невостребованными. Только усилиями академиков НАН Беларуси Николая Сироты и Петра Витязя ценнейшее оборудование и наработанные технологии удалось сохранить. Государство в свою очередь приняло несколько госпрограмм для поддержки уникальной отрасли. Сегодня действует программа "Новые и инновационные технологии".

– Мы немного опередили время, – отмечает Олег Игнатенко. – Инструменты со сверхтвердыми вставками рассчитаны на современные, мощные, высокопроизводительные станки, работающие с большой точностью, которые пока что есть не на всех заинтересованных предприятиях.

Многие в металлообработке до сих пор используют импортный инструмент из различной инструментальной керамики, карбидов вольфрама и кобальта, стоимость применения которых выше, чем у белорусских изделий с кубическим нитридом бора. При переходе на отечественные "резцы" себестоимость конечной продукции снизится. Кстати, по данным прошлого года в Беларуси используется сверхтвердых материалов на 3 млн долларов в год.

В 2023-м на базе НПЦ НАН Беларуси по материаловедению по инициативе академика НАН Беларуси Петра Витязя и генерального директора Центра доктора физико-математических наук, члена-корреспондента НАН Беларуси Валерия Федосюка создан инжинирингово-сервисный центр. Он объединяет усилия по модернизации мощностей, выпускающих инструмент со сверхтвердыми материалами. Чтобы убрать зависимость от импорта, Центр приобрел гидравлический шестипуансонный кубический пресс, который за три минуты может произвести 250 карат алмазного порошка. Такая производительность позволит не только закрыть потребности внутреннего рынка, но и выйти на внешние.

От сережек до батареек

Алмаз в природе растет миллионы лет. Синтетический гораздо быстрее, но только в том случае, если для этого существуют подходящие условия: температура в 1,5 тыс. градусов и давление порядка 50 тыс. атмосфер.

– Но алмазы для нас хобби, побочный эффект научной деятельности, – отмечает Олег Игнатенко. – Белорусский Институт физики твердого тела и полупроводников изначально создавался для поддержки инструментального направления. С первых лет у нас уже был собственный участок по производству сверхтвердых материалов: алмаза и кубического нитрида бора. И до 2012 года мы делали из камней инструмент для промышленности. Только потом занялись созданием "красоты".

Нам демонстрируют алмазы, впаянные в инструмент. Они не так красивы, как бриллианты, но более практичны: резцы, иглы, фильеры, правящие карандаши.

– Например, металл обрабатывают шлифовальным кругом, который время от времени нужно очищать от "засаленного" слоя, – рассказывает собеседник. – Для этого используют правящий карандаш. Максимальный срок его службы – неделя. Это расходный материал, цена которому десять долларов.

Иглы применяют для проколов или правки очень тонкого инструмента. Фильеры используют для протяжки и калибровки медных кабелей. Кроме того синтетические камни задействованы в солнечных элементах и в «вечных» батарейках.

"Вечная" батарейка (пока в теории) будет служить порядка 50 лет без необходимости подзарядки. Ее можно использовать в тех же смартфонах или ноутбуках, и она меньше литиевых аналогов. Технология проста – две алмазные пластинки, между которыми расположен изотоп никеля. Электроны, которые ходят между пластинами, генерируют ток. Такой элемент, чуть больший по параметрам, можно будет устанавливать и в электромобили.

– Из-за того, что технология предусматривает использование изотопа и бета-излучения, главная задача – создать экран, защищающий пользователя. В данный момент мы совместно с Институтом энергетики НАН Беларуси приближаемся к решению, –  говорит Олег Игнатенко. –  Возможно, скооперируемся с коллегами из "Росатома".

Алмазная лихорадка

– Мы одними из первых в мире получили персиковый бриллиант, или Peach Pink, с уникальными полутонами, – Олег Игнатенко демонстрирует редкий самоцвет. – Не все знают, что окраска драгоценного камня определяется дефектами его кристалла. Меняя дефектную структуру, мы меняем цвет, спускаясь на наноуровень. Сегодня можем разложить любое вещество на составляющие его атомы и потом, как конструктор, собрать его с необходимыми нам характеристиками, задавая вид алмаза еще до синтеза.

Синтетика в последние годы все шире используется в ювелирной промышленности. Так, израильские компании закупают белорусские алмазы, гранят их и получают бриллианты, которые не отличить от настоящих.

– Сегодня Беларусь входит в десятку стран, где разработана и используется технология для выращивания алмазов, – поясняет Олег Игнатенко. – Но везде свои подходы к их производству. Кто-то стремится вырастить максимально большие камни, мы –  менять их свойства. Как результат – Peach Pink, созданный в нашей стране. Сегодня «синтетика» – отдельный рынок. Крупные мировые бренды и ювелирные дома понимают, что такой бриллиант можно изготовить быстро и недорого, а отличить его от природного алмаза практически невозможно. 

В мире существует два метода получения искусственных алмазов. Первый (HPHT – от английского High Pressure High Temperature) –  использующий для получения алмаза высокое давление и температуру. Недавно Центр приобрел огромный шестипуансонный пресс, который позволяет за одно пресс-спекание производить 250 карат сверхтвердого материала, что примерно в 100 раз больше, чем можно изготовить на оборудовании, использовавшемся до сих пор. Второй метод (CVD – от английского Chemical Vapor Deposition) – осаждение алмаза из газовой фазы. Этот подход позволяет получать большие камни. Не так давно в Индии вырастили кристалл в 232 карата. НПЦ НАН Беларуси по материаловедению также закупил такую установку.

– На старых установках мы растили алмазы по полтора карата, новая уже позволит выращивать 6 камней по пять карат (1 карат – 0,2 грамма) одновременно, – отмечает Олег Игнатенко.

До последнего времени ученые использовали установки высокого давления  "БАРС". Они состоят из двух полусфер диаметром 30 см, которые заполняются машинным маслом. В них вкладываются большие пуансоны из каленой стали, затем малые – из сплава карбида вольфрама и кобальта – единственного материала, выдерживающего высокие давление и температуру в течение суток. Масло давит на мембрану, на все типы пуансонов – в результате внутри небольшого контейнера высокого давления (размером в 1 кубический сантиметр) создаются необходимые условия, чтобы за четыре дня из графита вырос алмаз в полтора карата.

Вес "БАРСов" две тонны, потребляемая мощность порядка 2 кВт, как у электрочайника. Для сравнения: у нового шестипуансонного пресса мощность 36 кВт, а вес 40 тонн.

Изумруды и биксбиты

В лаборатории оксидных материалов организовано мелкосерийное производство монокристаллов изумруда, красного берилла, сапфира, александрита и рубина со свойствами и цветом, максимально приближенными к натуральным камням. Здесь можно как купить готовое изделие, так и вырастить его под заказ. Также в Центре помогут огранить заказанные камни.

– Для выращивания мы используем флюсовый метод, когда в расплаве окиси ванадия растворяется натуральный берилл. Это очень дешевый минерал, не представляющий никакого ювелирного интереса, – рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории Андрей Солдатов. – Именно из этого расплава кристаллизуется изумруд с химическим составом и структурой, как у натурального. Синтетическим камням можно придать ряд признаков, характерных для природных самоцветов, добываемых в Колумбии, Замбии или России.

Первоначально разработка не была нацелена на создание ювелирных камней. Тем же методом из бериллов растили не изумруды, а магнитоактивные материалы. 

Перед нами десятки боксов, в которых лежат изум­руды. При желании можно сразу купить.

– Синтетический изумруд на 4 карата будет стоить порядка 300 долларов в эквиваленте. По сравнению с натуральным – копейки. За природный придется отдать от 7 тыс. долларов и выше, в зависимости от цвета, качества и места добычи, – поясняет Андрей Солдатов. – Цена синтетики зависит от массы и формы огранки. Один карат  обойдется в 60 долларов в эквиваленте. Обычно у нас покупают небольшие камни в кулоны или сережки,  иногда поступают заказы и на более крупные самоцветы. 

Легко ли разобраться, где синтетический камень, а где настоящий?

– Если у алмаза спилить часть кристаллика, из которой он растет, отличить синтетику будет невозможно, – уверен собеседник. – А вот искусственные изумруды можно. В природе самоцветы растут в гидротермальных условиях, когда во время извержения вулканов магма захватывает воду. В итоге в сам кристалл попадают микрочастицы воды, которые можно определить с помощью спектрографического анализа.  Кроме того, в натуральном изумруде видны ступеньки роста, которых нет в синтетическом. В остальном оба камня очень близки.

Кстати, изумруды используются не только в ювелирной промышленности. Иногда их заказывают для изготовления лазерных фильтров и даже зубных протезов. А покупатели с Ближнего Востока присматривались к продукции Центра, чтобы инкрустировать ею обложку Корана.

– Недавно мы начали выращивать разноцветные сапфиры, – продолжает удивлять Андрей Солдатов. – Существует миф, что они синие, однако эти камни могут быть любого цвета, кроме красного. Красные сапфиры называют рубинами. Разница в хромофорах. В изумруде – присутствует оксид бериллия, в рубине – оксид алюминия. От них и зависит цвет.

Также в лаборатории создают красные бериллы, природные аналоги которых носят название биксбит. Это одни из самых дорогих натуральных камней в мире. Они добываются только в штате Юта в США и стоят в пять раз больше бриллиантов. Биксбит обладает дихроизмом, т. е. меняет цвет только в одном направлении. Искусственный биксбит – тот же изумруд, только с иной хромофорной добавкой. Если в зеленых камнях это хром, то в красных двухвалентный кобальт. Белорусская технология получения таких камней уникальна.

Планы на будущее

Чего больше в работе современных ученых: фундаментальных исследований или практической составляющей?

– Все исследования в нашем Центре сбалансированы, – заверяет Олег Игнатенко. – Если мы откажемся от фундаментальной науки, наших разработок хватит максимум на десятилетие. Затем нас "съедят" конкуренты. Поэтому мы «растим» тему до коммерциализации продукта, а получив деньги, отдаем часть из них на последующие фундаментальные исследования, создавая задел на будущее.

Собеседник приводит в пример лесников: они сажают лес, понимая, что не увидят конечного результата: чтобы вырасти, товарной древесине нужно 80 лет. Так и ученые – всегда делают задел для следующего поколения исследователей.

При этом о текущих задачах забывать нельзя:

– Перед нашим Центром по композиционным материалам стоит задача – поднять инструментальную промышленность Беларуси. Заводы переходят на более высокоскоростные и высокопроизводительные обрабатывающие технологии, инструмент для которых разрабатываем мы. Наш Центр может предложить продукцию, которой пока что ни у кого и никогда в Беларуси не было. Но у нас она уже есть. 

По белорусским законам ювелиры обязаны указывать, какой камень использован в изделии: искусственный или натуральный.

Синтетика по качеству и характеристикам превосходит натуральные камни, потому что она имеет контролируемую дефектную структуру. Если надо создать «мягкий» алмаз для полировки – это одна структура. Если надо создать «твердый» алмаз для резки – это другая структура.

Вставки из изумруда и александрита производства НПЦ НАН Беларуси по материаловедению пользуются большой популярностью у юридических и физических лиц. 

Согласно Инструкции Главного управления драгоценных металлов и драгоценных камней Министерства финансов Беларуси алмаз или изумруд, полученные синтетически, не являются драгоценностями.

Алексей ГОРБУНОВ, фото Надежды КОСТЕЦКОЙ

Размещение рекламы на БЕЛТА