Валентин Рич - Неоконченная история искусственных алмазов

В 1954 г. Ю. Н. Рябинин попробовал изготовить искусственные алмазы. Никто ему этой работы не поручал, ни в каких планах и заданиях она не значилась. Делал он ее даже не в помещении Лаборатории физики высоких давлений, а в Институте химической физики, где его по старой памяти принимали.

На установке адиабатического сжатия вывести углерод в область стабильности алмаза было невозможно. Не хватало давления: оно не превышало 10 000 атм.

Вот если бы подвергнуть графит сжатию до сотни — другой тысяч атмосфер! Но как? Может быть, с помощью взрывчатки?

Рябинин решил попробовать. Он сконструировал довольно простое устройство, главной частью которого был толстостенный стальной цилиндр. Внутрь цилиндра закладывался цилиндрик графита, а между графитом и стальными стенками размещалась взрывчатка. Взрыв сжимал графит со всех сторон одновременно, и он не успевал разлететься.

Устройство работало безотказно. Температура внутри стального цилиндра доходила до 2500°, давление — до 300 000 атм. Предусмотренные диаграммой Лейпунского параметры для зоны стабильности алмаза были достигнуты безусловно.

Каждый образец материала после взрыва Рябинин посылал на рентген. И каждый раз рентгенограммы упрямо свидетельствовали: графит, графит, графит…

Почему же не алмаз?

Десятки, сотни безрезультатных опытов заставили Рябинина прекратить эту работу. Он решил, что во всем виновата кратковременность взрыва — очевидно, графитовые ячейки не успевают перестроиться в алмазные.

Наверное, Рябинин тогда заблуждался.

Судя по работам последующих лет, алмазные кристаллики должны были у него цолучаться. Но чтобы обнаружить их в массе графита, надо было растворять графит в царской водке, иначе он давал на рентгене такой фон, что немногочисленные и мельчайшие крупицы алмаза заметить было невозможно.

Впоследствии, через несколько лет после того, как алмазы были получены из графита, подвергнутого статическому давлению, их удалось синтезировать и с помощью динамического сжатия взрывом. Тогда растворение материала, полученного в камерах высокого давления, было уже обычным процессом, без которого никто и не мыслил себе получение искусственных алмазов. А главное, сама возможность синтеза алмаза в обозначенной Лейпунским зоне стабильности, достигнутой и Рябининым, стала уже несомненной. Результаты же его опытов по динамическому сжатию графита были общеизвестными — Рябинин опубликовал их в Докладах Академии наук в 1956 г.

Но когда Лаборатория физики высоких давлений взялась за синтез алмаза, Рябинин и его товарищи по лаборатории все еще были уверены, что динамический путь закрыт из-за недостаточного срока воздействия взрыва на графит. И что единственный имеющийся путь — статическое давление.

В 1958 г. научное учреждение Верещагина, преобразованное в Институт физики высоких давлений, уже вело исследования по синтезу алмазов в трех лабораториях. Одну возглавлял Леонид Федорович Верещагин, другую — Юрий Николаевич Рябинин, третью — Василий Андреевич Галактионов. С ними работали физики Архипов (теоретик), Слесарев, Лифшиц, инженеры Семирчан, Демяшкевич, Попов, Иванов.

Три лаборатории вели работу параллельно, а чтобы ни у кого не заводилось «маленьких секретов», с самого начала существовала договоренность: кто бы ни синтезировал первый алмаз, авторами открытия будут считаться все участники работы.

Забегая вперед, скажем, что на сей раз «решающая минута» или хотя бы «решающий час» не зафиксированы. И кто на самом деле синтезировал первый алмаз — остается неизвестным.

Итак, три лаборатории вели работу параллельно — то есть каждая создавала собственную установку и на ней пыталась синтезировать алмаз. Каждую неделю собирались все вместе и обменивались опытом.

У Галактионова усилие в камере с графитом передавалось, как и у Холла в США, тетраэдрическим, а потом кубическим устройством. Иными словами, камеру сжимали с трех и с четырех сторон.

Рябинин и Верещагин использовали более простое устройство, его макет и сейчас можно видеть на институтской выставке. Такой же, как на фотографии в «Огоньке», 500-тонный пресс, чуть меньше человеческого роста. Выдвигающийся снизу толстый цилиндрический поршень упирается в свинченные вместе два низких цилиндра большего диаметра, в зазор между которыми подведен электропровод. Эти два низких цилиндра и есть самое главное место установки, самая главная ее часть — камера высокого давления.

У нее простая функция: она должна передать графиту от поршня нужное давление (100000 атм), от трансформатора — нужный ток (для нагрева до 2000°) и удержать расплавленное и сжатое огромной силой вещество.

Два, на первый взгляд, взаимоисключающих условия: передать давление и температуру — и удержать расплав.

Под действием чрезвычайно высоких температур и давлений вещества ведут себя очень и очень по-разному. Например, с увеличением нагрузки металлы изменяют свою кристаллическую структуру, а вместе с тем и электропроводность. Значит, изменение электропроводности может служить сигналом о величине давления в камере, и на этой основе была разработана «реперная» система измерения давлений в камерах.

А есть минералы, которые при увеличении нагрузки сначала начинают течь, как жидкость, но при дальнейшем росте давления течь перестают и наглухо запирают все отверстия. Один из таких минералов — пирофиллит — использовал для уплотнений еще Бриджмен. Но Верещагину и его коллегам нужны были сотни килограммов таких минералов. Кто-то сообразил: годится так называемый литографский камень, его пришлось позаимствовать в московских типографиях — на первый случай хватило. Потом, спасибо, подсказали геологи: месторождение нужного минерала, «алагезского камня», есть в Грузии.

Таких проблем, подпроблем — и так далее, и так далее — оказалось великое множество. И без решения каждой из них синтезировать алмаз было нельзя.

А главной проблемой была конструкция самой камеры сжатия и мультипликатора — устройства, передающего давление. Эту проблему сумел красиво и «просто» решить Леонид Федорович Верещагин. Он подметил некое изменение формы подвергаемого давлению металла, словно сама природа подсказывала наиболее выгодную форму камеры. Эта подсказка была им понята. И сконструированное Верещагиным устройство надежно передавало веществу высокое давление и высокую температуру и надежно удерживало содержимое от разлета.

Приступая к работе, Верещагин, Рябинин и их коллеги считали, что именно эту задачу они и должны решить: научиться выводить углеродистое вещество в зону стабильности алмаза и там держать его несколько секунд или минут. О том, что именно нужно калить и сдавливать, они сперва не слишком задумывались.