Ученые выяснили, почему одни алмазы получаются красивыми, а другие — прочными

Российские ученые выяснили, как в зоне субдукции, где земная кора погружается в мантию, формируются алмазы. Для этого им пришлось создать у себя в лаборатории условия, похожие на земные недра. Зато теперь исследователи знают, что влияет на содержание в алмазе примесей и, как следствие, на его прозрачность и красоту.

Алмаз представляет собой кристаллическую модификацию чистого углерода. Этот минерал обладает высочайшей твердостью, но в то же время и хрупкостью, а также наибольшей среди твердых тел теплопроводностью. Именно это делает алмаз чрезвычайно ценным материалом, используемым в промышленности: из него изготавливают лезвия, свёрла, резцы, применяют при производстве квантовых компьютеров и в ядерной промышленности.

Высокая прозрачность и большой показатель преломления делают ограненный алмаз (после огранки он уже называется бриллиантом) одним из самых дорогих драгоценный камней. Значительная часть (по стоимости) добываемых алмазов используется для изготовления ювелирных изделий.

На структуру алмаза сильное влияние оказывают примеси, хотя их количество в процентном соотношении всегда очень невелико. Ведущую роль среди примесей играет азот, кремний, алюминий и бор. В максимальных концентрациях встречается азот – иногда его содержание может достигать 0,23% минерала, и может присутствовать в виде одиночных атомов, пар атомов или включений в виде пластинок.

Именно содержание азота влияет на прозрачность алмаза и на наличие люминесцентных свойств алмаза — способность светиться различными цветами под воздействием лучей света. Содержание азота и определяет то, насколько красивым будет найденный камень.

В настоящее время большинство исследователей сходятся на том, что основная часть природных алмазов образовалась в мантии Земли. Но при этом тектонические движения земной коры оказывают значительное влияние на геохимический цикл углерода — комплекс процессов, в ходе которого происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. Механизм взаимодействия в зоне субдукции — там, где земная кора погружается в мантию — до сих пор оставался не ясным.

Разобраться в этом попробовала группа российских ученых под руководством Юрия Пальянова, Юлии Баталевой и Александра Сокола из Сибирского отделения Российской академии наук и Новосибирского государственного университета. Российские ученые провели серию экспериментов, чтобы выяснить, что происходит, когда насыщенная карбонатом земная кора сдвигается к насыщенной металлами мантии. С результатами этой работы можно ознакомиться в публикации в журнале PNAS, опубликованной в ночь на вторник.

Исследователи смоделировали в лаборатории процессы движения тектонических плит. Они изучили взаимодействие между карбонатами магния и кальция и железом при разных температурах и условиях (от 1000 до 1650 градусов при давлении 7,5 гектопаскалей и от 1350 до 1600 градусов при давлении 6,5 гектопаскалей). Ученым удалось установить, что в условиях окисления образуется расплав карбоната кальция, который одновременно является и источником углерода и средой кристаллизации алмазов.

Оказалось, что для этого процесса необходима более низкая температура, чем предполагалось ранее. В условиях восстановления алмазы кристаллизуются только в расплаве карбонатов железа, и именно в этом случае они приобретают карбонатные включения. Более того, исследователи установили, что если в реакции участвует небольшое количество изотопа углерода 13, то азотных включений также образуется немного, и наоборот.

В качестве причины, вызывающей эти особенности образования алмаза, ученые называют именно окислительно-восстановительную фазу его формирования. В ходе такой реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается, причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.