Неоконченная история искусственных алмазов

Глава VII ПЕРВЫЕ ОКАЗАЛИСЬ ВТОРЫМИ

На 51-й странице 4471-го выпуска «Nature» сообщалось, что алмазы наконец-то синтезированы. И сделано это американской фирмой «Дженерал электрик». (Только две или, может быть, три недели спустя шведское фирменное издание «ASЕA-Journal» известило читателей об алмазах группы Лундблада — через два года с лишком.)

Довольно естествен в этой ситуации вопрос: почему же все-таки получилось, что первые оказались вторыми?

Вот одно из объяснений — в какой-то степени субъективное: «…Мы сомневались: а много ли мы знаем, что там происходит, в нашем графитном растворе? Надо продолжать опыты, объяснить механизм. Что мы можем положить на стол, чтобы фирма брала патент и платила за него немалые деньги? Что поделать: мы, кажется, не были опытными дельцами». Это слова Э. Лундблада.

Но если попытаться представить себе, помимо этих субъективных причин, причины более общие и объективные, то получится в общем то же самое: никакого резона торопиться — извещать поскорее мир о своем успехе — у шведов не было.

Лабораторный процесс — это еще не заводская технология. Следовательно, сообщив о своих алмазах всему миру, фирма ASEA поставила бы на одну доску с собой любого другого претендента, располагающего познаниями, опытом и оборудованием для работы со сверхвысоким давлением, но — не знающего последнего и самого важного: алмаз получается. (Замечание Норберта Винера о том, что главный секрет — это сам факт существования секрета, справедливо и для этой главы алмазной истории.)

Так или иначе, шведы молчали. А тем временем работа шла — тоже молчком — ив других местах.

Из сообщений в научных журналах первых последоенгг ных лет было известно, что Бриджмен сконструировал установку, в которой можно поддерживать давление :более 100000 атм, и что при таком режиме карбид вольфрама уже не выдерживает нагрузок и приходится пользоваться неким особым материалом — составом на алмазном порошке.

А затем публикации прекратились, потому что из ведения университетских лабораторий дело перешло в ведение бизнеса.

«Дженерал электрик», одна из крупнейших компаний в Америке, занимающаяся тоже не только электричеством, заинтересовалась этим делом, как уже известно читателю, еще до второй мировой войны, заключив договор с Бриджменом. И когда исследования Бриджмена продвинулись достаточно далеко вперед, «Дженерал электрик» решила, что настало время прибрать проблему синтеза алмазов к рукам полностью. В 1950 г. в секции механических исследований химического отдела начали конструировать аппаратуру для синтеза алмазов. Этой работой занимались Ф. ГГ. Банди и X. М. Стронг. В 1951 г. к исследованиям был подключен химик Г. Т. Холл, в 1952 г. еще один химик, P. X. Уинторф. Каждому из четырех были предоставлены свобода действий и неограниченные денежные средства.

Работа шла по двум основным направлениям: Банди ж\Стронг конструировали аппаратуру, Уинторф и Холл пытались подобраться к технологии: определить исходные вещества и катализаторы (точнее, растворители углерода). Последнее казалось особенно важным и привлекательным: если превращение графита в алмаз окажется возможным, то хорошо бы найти вещества, в присутствии которых оно пойдет в менее жестких условиях — при меньших температурах и давлениях. Холл сначала целый год пытался сделать алмазы вообще без высокого давления. Но постепенно стало ясно, что так успеха не добиться. И все основные участники работы занялись конструированием мощной установки. В июле 1953 г. она была готова. Ее назвали «Belt» («пояс»), потому что блок давления стянули, словно поясами, стальными кольцами. Автором конструкции был, как ни странно, химик Холл. Гидравлический пресс сдвигал стальные конические пуансоны, между которыми находилась стальная камера высокого давления. В камере помещался никелевый контейнер с графитом, а все остальное пространство заполняли специальным уплотнителем — минералом пирофиллитом. При сдвигании пуансонов он затекал в щели между ними и прочно запирал камеру, а также выполнял роль изолятора — и электрического, и теплового.

Давление на этой установке получилось около 55 000 атм — все еще недостаточное. Но затем пуансоны и камеру сделали не из стали, а из карболоя — уже упоминавшегося ранее сплава карбида вольфрама с шестью процентами кобальта. Сразу же давление удалось поднять до 100 000 атм при температуре в камере выше 2000°!

Но загруженный туда графит все равно отказывался превращаться в алмаз. Ничего не произошло и тогда, когда после все новых и новых усовершенствований исследователям удалось, как они считали, поднять температуру до 5000°, а давление до 200 000 атм.

Наверное, Франк-Каменецкий был прац, всячески подчеркивая, что превращение графита в алмаз — процедура тонкая и весьма прихотливая. А расчета, точного расчета состояний и переходов у Холла и его коллег не было. И отсутствие точных теоретических расчетов они, естественно, пытались восполнить все новыми и новыми опытами. Так прошел еще год — в безуспешных попытках синтезировать алмаз из разных углеродсодержащих веществ в присутствии самых разных металлов-растворителей: железа, никеля, хрома, тантала, иридия… Опыты, опыты, опыты — так же ощупью, как у Лундблада. И так же неожиданно пришел и к ним долгожданный день.

Предоставим слово Холлу.

Прервем свидетельство Холла, чтобы пояснить, что значило «доказать». Компания «Дженерал электрик» оговорила условия идентификации — то, что получится в аппарате, будет признано алмазом, если это подтвердит:

1) рентгенограмма,

2) оптическая характеристика,

3) твердость,

4) химический анализ,

5) внешняя форма,

6) и самое главное — воспроизведение синтеза другими лицами.

Продолжим рассказ Холла.

Собственно синтез длился от одной до трех минут. Максимальный размер образовавшихся кристаллов был 0,8 мм. Алмазы были получены при температуре 1560° и давлении 85 000 атм. Вспомним, что у шведов давление было примерно таким же, и перейдем к небольшому теоретическому отступлению.

Мы живем в нестабильных условиях, точнее говоря: в термодинамически нестабильных. По законам термодинамики, право на существование в данных условиях имеют лишь те вещества, которые обладают наименьшим из всех возможных при данном давлении и данной температуре запасом энергии. (Например, молекула ржавчины в нормальных условиях обладает меньшим запасом энергии, чем три атома железа и четыре атома кислорода порознь. И если не прилагать специальных усилий, то вся выплавленная в мартенах и конвертерах сталь самопроизвольно превратится в ржавчину.)

Если сжечь 1 г алмаза, то при этом выделится на несколько сот калорий больше, чем при сжигании 1 г графита. Графит упакован энергетически экономней, и все алмазы должны были бы самопроизвольно перестроиться в чешуйки графита. Можно порадоваться тому, что этого не происходит и что природа иногда почему-то придерживает термодинамически выгодные процессы (более научно: они идут в этих случаях с незначительной скоростью), либо не дает им хода вовсе. По этой причине мы имеем возможность любоваться алмазом: он не перестраивается в графит, потому что у него исключительно прочная кристаллическая решетка. Однажды образовавшись, она в весьма большом диапазоне температур и давлений остается неизменной. Пока нагрев не превышает 1500°, кристалл не «расшатывается», алмаз ведет себя так, будто бы он стабилен.

В области давлений и температур, при которой термодинамически нестабильное вещество самопроизвольно не переходит в энергетически более выгодное состояние — в метастабильной области, вещество может сохраняться практически сколь угодно долго.

Как только первые результаты Холла были подтверждены, «Дженерал электрик», не мешкая, приступила к изготовлению аппаратуры и к подготовке промышленного синтеза алмазного порошка. В марте 1955 г. они сочли возможным опубликовать сообщение о том, что открытие состоялось. Потом появилась опоздавшая шведская публикация, потом были еще сообщения о синтезе — американской фирмы «Нортон компани», голландских «Ашере даймондс» и «Бронсверк», английской, южноафриканской… А в октябре 1957 г. компания «Дженерал электрик» объявила, что ею изготовлено 100 000 карат алмазного порошка и что в 1958 г. будет изготовлено в 10 раз больше.

Как и положено коммерческому предприятию, фирма извещала и о цене порошка: 3 доллара 48 центов за карат. Искусственные алмазы «Дженерал электрик» были на 24% дороже натуральных…

А технология синтеза, разумеется, оставалась тайной за семью печатями. Вот как говорил об этом двумя годами позже в одном из своих научных докладов Холл: «Точное давление и температуру, а также вещества, необходимые для синтеза, я не привожу. Во-первых, эта информация — собственность «Дженерал электрик». Во-вторых, существует приказ о секретности патентов «Дженерал электрик». В-третьих, засекречен и патент на установку «Белт»…»