Владислав Жданов: «Применение алмазов в высоких технологиях — это главная и основная целевая задача технологий алмазного синтеза»

Владислав Жданов - профессор НИУ ВШЭ, советник генерального директора - председателя правления ОАО «РЖД», до этого вице-президент «АЛРОСА» (2015-2018 гг.). По специальности физик. Получил образование в УрГУ (Общая и молекулярная физика), Дипломатической академии МИД, в City University London и Oxford University, РАНХиГС.

Победитель национального конкурса Лидеры России 2020. Автор ряда научных статей по использованию алмазов в высоких технологиях. Владислав Жданов рассказал R&P об использовании синтезированных и природных алмазов в современных высоких технологиях, о трендах и перспективах их потребления этой сфере.

У вас такое разностороннее образование. Чем заинтересовала вас алмазная тема?

Помните, как у Высоцкого – «…значит нужные книги ты в детстве читал» - у меня есть совершенно замечательный дядя, Анатолий Жданов, который принес мне в далеком детстве две «алмазные» книги - Апполона Дэвидсона «Сесиль Родс и его время» и Георгия Свиридова «Охотники за алмазами». Я прочитал эти книги множество раз, можно сказать заболел алмазной лихорадкой лет с десяти – Кимберли, ДеБирс, Зарница - новая семантика завораживала.

Но это была теоретическая часть, практическое знакомство с алмазами состоялось в металлургической лаборатории, где все тот же дядя Анатолий умудрялся синтезировать алмазы, смешивая графит с порошками на железной основе и нагревая все это под давлением – да, алмазы были мелкодисперсные, не производили впечатление ни на лаборанток (к расстройству моего харизматичного дяди), ни на моих одноклассниц (увы) – но, для меня это была магия! Так что мой путь к алмазам начался в дядиной лаборатории, где прошла часть моего детства. Можно с известной долей самоиронии сказать, что в алмазном синтезе я с 13 лет.

Собственно, мое дальнейшее образование и увлечение добычей и синтезом -лишь следствие прочитанных в детстве книг и вдохновения от опытов в металлургической лаборатории. Работая в АК ААЛРОСА в 2015-2018 годах, мне посчастливилось ближе узнать проблематику добычи, а также общаться с множеством замечательных коллег-физиков, чьи эксперименты с алмазами потрясают. Владимир Бланк, Сергей Вартапетов, Анатолий Вихарев, Александр Колядин, Виктор Ральченко, Роман Хмельницкий! Уникальность работ их команд как с академической, так и с практической точек зрения сложно переоценить! Пожалуй, в России сегодня сложилась одна из самых сильных в мире школ синтеза алмазов, и это безусловно заслуга, в том числе, вышеперечисленных ученых. Российские ученые и практики синтеза постоянно совершенствуют технологические процессы, оборудование и режимы синтеза для достижения наиболее эффективных процессов, позволяющих добиться управляемого и закономерно повторяемого результата, что критично для использования синтетических алмазов в высокотехнологичных сферах.

Производители синтетики на Западе позиционируют ее как технологичную новинку с приставкой «эко» и conflict-free. Насколько это соответствует действительности?

Синтез алмазов сложно назвать новинкой. Этим технологиям уже почти 80 лет. И если отбросить маркетинговый контекст приставок ecofriendly и green technology, то, действительно, любопытно сравнить какой же вид получения алмазов – синтез или природная добыча - в большей степени отвечает понятиям «зелёных технологий». И как оказалось, вопрос очень непростой и неоднозначный. Отчасти ответу на него посвящена наша с коллегами из Сколтеха недавняя работа, отраженная в статье «A Comparative Analysis of Energy and Water Consumption of Mined versus Synthetic Diamonds» и опубликованная в конце октября в швейцарском журнале Energies (https://www.mdpi.com/1996-1073/14/21/7062/htm). Мы проанализировали отчеты Алроса и ДеБирс за последние годы, благо обе эти компании предельно транспарентны. В результате мы получили данные, что среднее потребление энергии для производства одного карата алмазов в этих компаниях находится в интервале 96-150 кВт*ч, причем, у ДеБирса идет устойчивое повышение энергоэфективности в последние годы. Собственно, если учитывать динамику повышения эффективности добычи, то удельные затраты энергии на единицу продукции (в нашем случае карат) являются одним из ключевых параметров как в технологическом и отраслевом, так и в экологическом смысле.

Также в результате исследования было проанализировано потребление воды (данные АК АЛРОСА ПАО). В 2018 году для производства 1 карата алмаза АЛРОСА использовала всего 77 литров воды – хотя еще в 2014 году этот показатель, по официальным отчетам, был в разы выше, то есть позитивная динамика очевидна. Необходимо пояснить – большая часть электроэнергии, используемая в АЛРОСА, производится собственными гидроэлектростанциями. Кроме того, вода проходит технологические циклы очистки и используется повторно через замкнутый контур, что также существенно снижает расход и повышает эффективность.

Таким образом, мы видим, что экологическая повестка очень важна для двух лидеров алмазной индустрии, технологии непрерывно совершенствуются, демонстрируя позитивную динамику.

Что касается синтеза, наш «фаворит» – метод High-Pressure-High-Temperature (HPHT)! По нашим данным и по данным других исследователей (например Ali, S.H., 2016), удельное потребление энергии современных прессов составляют всего лишь несколько десятков кВт*ч на карат. Оговорюсь, что эти показатели касаются систем с открытым контуром охлаждения. Я полагаю, что именно они являются наиболее рациональными и эффективными. Если оценивать HPHT пресса, использующие систему охлаждения по закрытому контуру, то в этом случае придётся увеличивать удельное энергопотребление примерно в два раза – закон сохранения энергии пока никто не отменял - отвод тепла от 3-х-киловаттной ячейки HPHT пресса потребует дополнительного чиллера. В этом случае показатели энергоэффективности конкретного HPHT проекта понизятся, приближаясь к уровню электрозатрат при добыче природных алмазов. Несомненным экологическим плюсом HPHT метода является нулевое потребление воды для синтеза!

CVD реактор (слева, на переднем плане) и HPHT пресс (справа) / ©Из авторского архива Жданова В. Л.

Второй распространённый метод синтеза – CVD. Некоторые исследователи заявляют результативные показатели удельного энергопотребления на уровне 77 и 143 кВт*ч на карат, но при этом наши собственные наблюдения, полученные в ходе исследования, значительно скромнее - 215 кВт*ч. В статье «A Comparative Analysis of Energy and Water Consumption of Mined versus Synthetic Diamonds» мы также учитываем и описываем частоту и мощность магнетрона, производительность реактора на его основе, много пишем про роль азота, этого «стероида» синтеза – в общем оговорок не счесть. CVD-технологии очень чувствительны к различным факторам, зависят от множества переменных (особенностей режимов синтеза, конфигурации реактора, качества подложек, распределения плазмы, состава газовой смеси и т.д.) В том числе многое, безусловно, зависит от квалификации технолога, способного настроить оптимальную технологию и режим синтеза.

Другими словами, мы видим диапазон удельных энергозатрат CVD в районе 77-215 кВт*ч за карат, он перекрывает ранее упомянутый диапазон энергозатрат добычи 96-150 кВт*ч. Поэтому утверждать, что любой CVD алмаз «a priori» более «экологичный» (в смысле меньшей энергозатратности, чем природный) я точно не рискну. Что касается потребления воды - да, CVD-синтез практически не требует воды по сравнению с добычей, по нашим наблюдениям не более 2-х литров на карат, так как вода нужна для лишь для установок водорода, основы газовой смеси при синтезе методом CVD.

В качестве резюме отмечу – не все синтезированные алмазы превосходят натуральные по энергоэффективности их производства. Но все синтезированные алмазы превосходят натуральные по водопотреблению. Значит ли это что все синтезированные алмазы более «зеленые» чем натуральные? Считаю, что нет, не все.

Каково Ваше отношение к ювелирной синтетике?

Каюсь, к ювелирному алмазному рынку я равнодушен– ничего с собой не могу поделать, понимаю, что это драйвер алмазной индустрии, но, увы, – страсти к ювелирным проектам не испытываю. Полагаю, что рынок ювелирной синтетики растёт, как и растёт количество и качество компаний, занимающихся синтезом – перспективы этого бизнеса очевидны, с учетом относительно низкого порога входа. Стоимость современных HPHT прессов вполне «демократична», а их окупаемость достаточно быстрая при наличие хорошего технолога. То же и с CVD системами- несмотря на их меньшую удельную энергоэффективность, стоимость самого оборудования давно не «кусается». При этом, энергозатраты в синтезе, поверьте, это не основной расход, поэтому экспансия CVD будет нарастать. Не случайно Element Six в своих промороликах показывает именно CVD синтез новой ювелирной линейки LightBox - тоже считаю, что потенциал CVD синтеза огромен в буквальном смысле.

Попробую пояснить почему именно CVD меняет всю парадигму синтеза алмазов. Во-первых, мы можем накрыть плазмой значительную площадь что даст рост множества кристаллов одновременно. И, в теории, с множеством оговорками, площадь покрытия может быть еще больше – отсюда качественный скачок в производительности CVD реакторов. Во-вторых, в 2014 году немецкий ученый Матиас Шрек (Matthias Schreck et al, 2014) с коллегами публикует результаты синтеза 92(!!!) мм 155 каратной алмазной пластины выращенной в CVD реакторе, предельно красноречивое доказательство уникальности CVD технологии. Учитывая вышесказанное, очевидно, что размерность CVD алмазов будет возрастать, увеличивая тем самым их востребованность в технологических и ювелирных отраслях, где стоимость практически экспоненциально зависит от размера. Представьте себе алмазные линзы в очках – учитывая более высокий чем у диоксида кремния (стекла) коэффициент преломления, фокусное расстояние будет меньше, очки, как квази-ювелирное изделие будут как минимум изящнее и точно функциональнее – ширина пропускания спектра у алмаза уникальна. Таким образом, сам ювелирный рынок может трансформироваться, откроются новые ниши – технологии синтеза развиваются очень быстро.

Однако, в моем представлении применение алмазов в высоких технологиях - это главная и основная целевая задача технологий алмазного синтеза. Ювелирная отрасль «адаптивна» – здесь не важна точная повторяемость характеристик и параметров продукта – достаточно размера и цвета, даже дефекты – трещинки и включения – это всего лишь признаки, делающие более визуально похожим синтетический бриллиант на природный. По этой причине всё, что «не получается» пригодным для высоких технологий, вполне может использоваться в ювелирном секторе, где дефекты кристаллической решетки вполне можно рассматривать как уникальность конкретного камня.

Что Вы думаете о использовании lab-grown в высокотехнологичных сферах? Обладают ли они конкурентным преимуществом перед mined - добытыми традиционным способом?

Отчасти ответил на этот вопрос выше, тем не менее дополню - кристаллическая решетка натуральных алмазов не повторяется, что с одной стороны демонстрирует уникальность природных алмазов, но с другой стороны делает невозможным их использование в высокотехнологичных сферах, где требуется стабильная повторяемость параметров. По этой причине в техническое использование природные алмазы годны только как абразивы, но это вовсе не хай-тек.

Что касается синтезированных алмазов, только синтез дает возможность получать чистую кристаллическую решетку с заданными свойствами. Меняя параметры синтеза, можно получить на выходе не просто безупречный, с точки зрения ювелира, бесцветный кристалл, но и незаменимый, с точки зрения квантового физика, кристалл с NV центром – а если это будет не просто азот, а изотоп азот-15 – то это вообще восторг!

Схема процесса M-CVD: диссипация метана (CH4) в метил (-CH3) и атомарный водород (H), захват метильной группы алмазной ячейкой и дальнейшая дегидрогенизация.

Я искренне верю, что синтез алмаза открыт и постоянно совершенствуется не для ювелирных применений. Алмазный синтез постепенно выходит на устойчивые и высококачественные, а главное стабильно воспроизводимые (повторяемые) параметры и характеристики – становится возможным широкое промышленное применение синтезированных алмазов в самых различных сферах высоких технологий. На мой взгляд, такие способы применений значительно перспективнее, чем просто гранить кристалл и использовать его в качестве субститута природного бриллианта в ювелирных изделиях. Я уверен, что в скором времени совершенствование технологий и процессов синтеза позволит производителям лабораторных алмазов выйти на качественно новый уровень, чтобы достичь всех запрашиваемых высокими технологиями параметров продукта.

Какие существуют тренды на использование синтетики и природных алмазов в высоких технологиях? Какие из них наиболее перспективны?

Алмазы обладают прекрасным комплексом характеристик, что позволяет использовать их в очень широких областях применений! Сегодня более 70% синтетических алмазов используются в инструментах, применяемых в строительстве, нефте- и газодобыче, горных работах, там, где важны абразивные свойства алмаза и его износостойкость (алмаз крошится в процессе эксплуатации, но за счёт особенности кристаллической решетки, остаётся острым весь срок службы). Чуть более 13% синтетических алмазов используется в электронике и оптике – полупроводники, датчики, дозиметры, лазерные и оптоволоконные системы и т.д., где важны оптические и тепловые характеристики алмаза. Около 6% потребляет медицина – это алмазные скальпели, датчики лазерной и лучевой терапии. Остальной объем приходится на алмазные электроды для систем озонирования воды, алмазные стёкла и прочие узкопрофильные применения для различных отраслей.

Если позволите, общеизвестная фактология – алмаз:

а) сверхтвердый (абразивы);
б) высокий коэффициент преломления (оптика, в том числе рентгеновская);
в) высочайший коэффициент теплопроводности (электроника, термоядерная энергетика, и т.п.);
г) способность стабильно удерживать азот и другие атомы внутри своей решетки (квантовые технологии);
д) высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии (оптика, электроника);
е) автоэлектронная эмиссия (оптика, электроника);
ж) основа для синтеза новых кристаллических структур, не существующих в природе (мета-материалы).

Список можно продолжать, но разверну те пункты, над которыми мы с коллегами из Сколтеха сейчас в основном работаем –«д» и «ж».

В прошлом году в американском журнале The Journal of Physical Chemistry Letters вышли две интересных статьи с моим соавторством: первая «Exotic Two-Dimensional Structure: The First Case of Hexagonal NaCl» и вторая «Role of Nitrogen and Oxygen in Capacitance Formation of Carbon Nanowalls». Они крайне любопытны с академической точки зрения, так как в результате экспериментов впервые была получена гексагональная структура поваренной соли именно на решетке алмаза, а также проанализирована роль кислорода и азота при синтезе новых углеродных структур.

Например, сейчас наша научная группа проводит ряд экспериментов по осаждению золота на алмазной подложке, что позволяет провести различные опыты с изменением электропроводности этого «ювелирного» металла. Кроме того, у команды Владимира Бланка есть очень интересный академический задел, связанный с вторичной электронной эмиссией алмаза, мы с коллегами стараемся развить и это направление, «прожигая» в алмазных подложках туннели разной конфигурации в попытке найти оптимальную.

Собственно, статья про энергоэффективность производства алмазов — это выход за переделы нашего текущего академического фарватера. Мне повезло встретить в этой теме талантливых учёных, коллег, единомышленников. Для нас сам синтез –это всего лишь этап большого процесса инновационного применения технологий на базе или с использованием алмаза. Сегодня синтез в первую очередь позволяет нам получить качественные алмазные подложки, на которых мы потом осаждаем другие материалы или нещадно прожигаем в них электронные туннели. Мы исследователи, не бизнесмены.

Еще хотелось бы упомянуть одну из наиболее актуальных и дискутируемых в академической среде «алмазных» тем – алмазные кубиты. Это действительно революционно, это будущее – алмазные кубиты находят свое применение в области квантовых технологий, чье развитие является сейчас стратегической целью для множества научных коллективов и корпораций США, ЕС, Китая и, конечно, России. Внимательно слежу за публикациями Федора Железко, одного из ведущих ученых-физиков нашего времени, чьи работы в области NV центров в алмазе направлены в том числе на совершенствование биомедицинских технологий – широта возможного применения алмазов устойчиво нарастает, тренд очевиден.

В стадии черновиков у моей научной группы еще несколько статей, связанных с алмазодобычей и синтезом. В процессе исследования мы сравнили удельные трудозатраты и CapEx при добыче и синтезе. Результаты будут полезны всем, кто задумывается о производстве алмазов. Именно эти статьи расходов определяют экономическую эффективность любого «алмазного» проекта, именно эти цифры помогут рационально планировать производство синтетических алмазов.

В качестве benchmark по добыче были взяты данные по двум африканским месторождениям - Orapa, Jwaneng, и североамериканскому Gahcho Kue – все месторождения входят в группу компаний ДеБирс. Хочу отменить, кстати, прекрасно структурированную отчетность компании. Прозрачность и упорядоченность предоставляемых данных позволяет использовать их в широком спектре аналитических и научных исследований – мы не смогли пройти мимо. Мы вновь сравнили способы синтеза – HPHT и CVD, результаты ожидаемо разняться, и, забегая вперед, снова «старая школа» HPHT «выигрывает» у CVD по формальным признакам. Обещаю, как только статьи примут к публикации, буду готов дать обстоятельный отчет об исследованиях на страницах Вашего уважаемого издания. Скажу лишь, что точно нельзя «хоронить» добычу, эта технология производства алмазов не собирается сдаваться ни по экономическим, ни по технологическим показателям – история ДеБирс и Алроса продолжается.

В заключение не могу не поделиться своим ощущением, что упомянутые в начале материала книги из моего детства «Сесиль Родс и его время» и «Охотники за алмазами» требуют продолжения — это увлекательный мир высоких технологий и харизматичных лидеров, и да, определенно «A Diamond Is Forever»! Полностью согласен со слоганом ДеБирс, и пусть понимаю это с точки зрения квантовой физики, тем не менее суть от этого не меняется, спрос на алмазы будет всегда!

Галина Семенова для Rough&Polished