Учёные выяснили, что быстрее — добыть алмаз или синтезировать его

23.11.2022 Ученые из НИУ ВШЭ и Сколтеха проанализировали удельные трудозатраты на производство 1 карата алмаза на месторождениях и при синтезе. Оказалось, что традиционный метод добычи алмазов пока требует меньше времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Heliyon. Алмаз — это форма углерода, которая уже сотни лет привлекает внимание благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам: предельной твердости, высочайшей теплопроводности, химической инертности и пр. Алмазы не только  востребованы в ювелирной промышленности, но и необходимы для электроники, квантовых проектов, медицины и т.д., что делает вопрос их лабораторного синтеза особенно важным. Некоторые компании, такие как De Beers Group, уже диверсифицировали свой ассортимент продукции, чтобы предложить клиентам как алмазы, добытые в карьерах, так и алмазы, выращенные в лаборатории. Создатели способов лабораторного производства алмазов во многом подобны средневековым алхимикам, которые совершенствовали практические технологии в поисках философского камня. Синтез алмазов требует фундаментальных знаний в области физики и химии. Технологии постоянно развиваются, так как спрос на алмазы растет. Расходы на оплату персонала являются основной частью операционных издержек при производстве алмазов и индикатором общей эффективности производства: чем меньше человеко-часов расходуется на производство единицы продукции, тем выше общая инвестиционная привлекательность алмазных проектов. В исследовании ученые изучили трудозатраты, необходимые для получения 1 карата алмаза тремя способами: классическим открытым способом добычи в алмазном месторождении, высокотемпературным синтезом под высоким давлением (HPHT) и химическим осаждением из газовой фазы в микроволновой плазме с частотой 2,45 ГГц (MP CVD). Технология HPHT симулирует естественный процесс образования алмазов. Мощный гидравлический пресс сжимает специальный контейнер — ростовую ячейку, внутри которой находится смесь железа, графита и аддитивов. При этом в ячейке создается давление до 6 ГПа, поддерживается температура около 1500 °C — в данных условиях атомы углерода, растворенные в железе, начинают кристаллизоваться. Большинство лабораторных алмазов выращиваются именно при помощи технологии HPHT. Технология MP CVD сильно отличается от HPHT и не воспроизводит естественный процесс возникновения алмаза. В ней используется метано-водородная плазма вместо расплава железа, а процесс проходит в условиях низкого давления внутри специальной камеры-резонатора. Технология химического осаждения из газовой фазы позволяет создавать сложные кристаллические структуры для ювелирных изделий, оптики и электроники и точно контролировать все соответствующие параметры. Это более молодая и многообещающая технология синтезирования алмазов. В ходе работы были использованы данные из открытых источников: отчетности ведущего производителя алмазов De Beers, а также лабораторных исследований процессов синтеза. Несмотря на бурный рост количества проектов по синтезу алмазов, авторы исследования пришли к выводу, что удельные трудозатраты при добыче на месторождениях Orapa и Jwaneng в Ботсване значительно меньше, чем при синтезе алмазов ювелирного качества, то есть алмазов с низким содержанием примесей и размерами, оптимальными для использования в ювелирной промышленности. Ученые рассчитали среднее рабочее время, необходимое для производства 1 карата алмаза. Так, шахтер на месторождениях Orapa и Jwaneng тратит в среднем 26 минут на добычу 1 карата алмаза. Операторы HPHT-пресса и реактора MP CVD тратят в среднем 1 час 50 минут и 3 часа 26 минут соответственно на синтез 1 карата алмаза ювелирного качества. «Алмаз, шире — углерод, — это, безусловно, материал будущего, отсюда академический интерес к экономическим аспектам карбоновых технологий. Как эксперту мне часто приходится давать заключения на те или иные проекты, связанные с высшими фуллеренами, алмазами и прочими аллотропами углерода. В этой статье мы обобщили собственный опыт в части добычи и синтеза алмаза как одного из основных коммерчески применяемых карбоновых аллотропов», — говорит один из авторов исследования, профессор факультета гуманитарных наук НИУ ВШЭ Владислав Жданов. Как отмечают исследователи, наблюдаются положительные тенденции в совершенствовании процессов изготовления алмазов. Совершенствуются гидравлические прессы, используемые в HPHT, как следствие, растет производительность. «Инновации в методе CVD также могут снизить трудоемкость. Синтез монокристаллической алмазной пластины диаметром 92 мм немецкими учеными стал одним из самых важных достижений в технологии за последнее десятилетие. Это вопрос времени, когда этот результат будет масштабирован и мы станем свидетелями резкого роста размеров CVD-алмазов, что может привести к переосмыслению их практического использования», — резюмирует Владислав Жданов. По мнению исследователя, горнодобывающая промышленность также имеет большой потенциал для повышения производительности труда, например автономная карьерная техника, роботизированные обогатительные фабрики и т.д. Существует бесконечное количество инноваций, и многие аспекты могут быть улучшены. Пресс-служба НИУ ВШЭ Фото: otalismanah.ru The post Учёные выяснили, что быстрее — добыть алмаз или синтезировать его appeared first on Поиск - новости науки и техники.