Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Научные открытия в изучении свойств углерода.



Научное открытие "Закономерность образования алмазов (создание искусственных алмазов из графита)".

Формула открытия: "Теоретически установлена неизвестная ранее закономерность кристаллизации (синтеза) алмаза из углерода – образование алмаза в области его стабильности в жидкой среде, растворяющей углерод или вступающей с ним в нестойкие химические соединения, при давлении и температуре, большей 1400°К, отвечающих условию:
Р > 5,5 + 26,4 • 10–3 Т°К тыс. атм. ".
Автор: О. И. Лейпунский.
Номер и дата приоритета: № 101, август 1939 г.
Дата подачи заявки: 5 января 1971 г.


Описание открытия.

Предистория.
Алмаз давно интересует не только минералогов, но и физиков и представителей других областей науки в связи со своими особыми свойствами и необычным, во многом загадочным, происхождением. До конца 19 века алмаз применялся в основном для украшений. Однако с развитием промышленности он приобретал все большее техническое значение. Сейчас 78 – 80% добываемых в мире алмазов идет на промышленные нужды.
История алмазов полна приключений, разочарований и крушений надежд. На протяжении веков вокруг этого драгоценного кристалла кипели страсти. Уже давно было известно, что алмаз состоит из чистого углерода, как и графит, и потому многие пытались получить его искусственным путем из графита.

В конце прошлого века французский химик А. Муассан сообщил, что ему удалось получить алмазы размером с булавочную головку, растворяя угольный порошок в железе при 3000°С и охлаждая расплав в свинце. Однако никто не смог успешно повторить опыт Муассана.

При сжигании алмаз действительно превращался в графит, однако обратный процесс не происходил даже при максимально достижимых тогда температурах порядка десяти тысяч градусов. Поскольку алмаз значительно плотнее графита, то ученые предполагали, что для его получения нужны не только высокая температура (Т), обеспечивающая подвижность атомов углерода, но и высокое давление (Р), чтобы заставить кристаллизоваться углерод в виде плотной кристаллической решетки алмаза, а не рыхлой структуры графита. Если подвергать абстрактное вещество нагреванию и сжатию, то можно построить диаграмму, на которой по одной оси координат откладывать температуру, а по другой – давление. Тогда каждой точке диаграммы будет соответствовать одно из трех агрегатных состояний – твердое, жидкое или газообразное. Такая диаграмма называется фазовой, и она разделена на три области линиями из точек перехода вещества из одного состояния в другое.

К 1930 году ученые уже начали понимать, что попытки получить алмаз из графита не удавались потому, что все значения температуры и давления, то есть точки фазовой диаграммы, в которых проводились опыты, находились в области устойчивости графита. В то время еще не могли получить давление выше 50 килобар при температурах более 1500°К (1200°С). Поэтому не было известно экспериментальной фазовой диаграммы для углерода в области столь высоких температур и давлений. Но уже были известны термодинамические потенциалы и константы для алмаза и графита вплоть до 1400°К.


Открытие.
Скромный российский ученый, профессор О. И. Лейпунский теоретически определил условия образования искусственных алмазов. Он продолжил расчеты в области более высоких температур, чтобы дойти до области, в которой оказалась бы устойчивой алмазная и неустойчивой графитовая фаза. Лейпунский провел экстраполяцию методом интегрирования термодинамического потенциала углерода при температурах от 1400 до 3400°К и в конечном счете нашел формулу перехода «алмаз — графит» в этой области:

Р > 5,5 + 26,4 • 10–3 Т°К тыс. атм. (температура – в кельвинах, давление – в килобарах).

Погрешность была не более 10–12%, что вполне приемлемо для практических целей синтеза алмаза. Теперь можно было выбирать пары значений Р, T, при которых кристаллизуется алмаз, а графит неустойчив. Вывод Лейпунского был таким: «Перестройки в решетке алмаза начинаются с 1700–1800°С. Поэтому температура в 2000°К (1727°С) является минимальной для получения алмаза из графита в твердой фазе, причем опыт должен производиться при таком давлении, когда алмаз при этой температуре устойчивее графита, то есть при давлении порядка 60 000 атм.».

Вместе с тем он подчеркивал, что этих двух условий недостаточно. Третье условие — подбор среды нахождения углерода, в которой можно было бы, не теряя в его подвижности, одновременно понизить температуру и давление кристаллизации алмаза, поддерживая эти параметры в подходящей области в течение хотя бы нескольких минут. В качестве такой среды, играющей роль катализатор Лейпунский предложил жидкие металлы: железо, платину, родий. Хотя давно уже было известно о хорошей растворимости углерода в железе (до 3,5% при 1500°К), но никто пока не додумался использовать это свойство при синтезе алмазов.

Построив количественную теорию синтеза алмазов, Лейпунский дал следующий прогноз: «Техника высоких давлений в настоящее время позволяет поддерживать в течение длительного времени давление в 50 000 атм. Дальнейшее увеличение этого предела до 60 000—70 000 атм. по-видимому, осуществимо, хотя оно потребует очень большого труда при подборе соответствующих твердых сплавов. Нагрев графитовой массы до 2000°С при большом давлении представляет меньшие трудности и может быть осуществлен изнутри. Но всё же, опыт при 60 000—70 000 атм. является опытом будущего, хотя, может быть, и весьма недалекого».

В 1939 году научная статья Лейпунского о перспективах получения искусственных алмазов с формулами, графиками и таблицами была опубликована в журнале «Знание — сила».


Дальнейшая судьба открытия.
О. И. Лейпунский пытался заинтересовать различные ведомства начать производство искусственных алмазов для нужд промышленности, но нигде не встречал понимания. Например, в Министерстве нефтяной промышленности на специальном совещании в Главке, ведающем бурением и твердыми материалами, было заявлено, что им не нужно алмазов. Также он составил докладную записку во Всесоюзный совет народного хозяйства (ВСНХ) об организации специальной лаборатории для изготовления алмазов, однако, ответа не получил. . .
И всё-таки теоретический расчет О. И. Лейпунского через 15 был подтвержден экспериментальными работами. Но… К сожалению, без участия самого автора открытия. И даже без участия нашей страны.


Дальнейшее развитие открытия (с криминальным оттенком, но счастливым продолжением).
Первыми алмаз синтезировали шведы. 17 февраля 1953 года это удалось специалистам фирмы ASEA (Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget). Шведы изучили статью О. И. Лейпунского 1939 года и использовали все три необходимых условия: давление, температуру и среду-растворитель (железо). Сначала получились крошечные алмазы в сотые доли миллиметра, но они уже были пригодны для промышленного использования. Фирма получила заказы и развернула производство абразивного алмазного порошка. Одновременно она начала поиск условий выращивания более крупных кристалликов.

Шведы, будучи осведомлены о приоритетной публикации Лейпунского, «пекли» себе алмазы по-тихому и на патент не претендовали, так как знали – со Сталиным шутки плохи. Однако, не публиковали никаких сообщений о своём достижении, и признавать публично Лейпунского не спешили. «Холодная война» в мире была тогда в разгаре, и шведы не хотели дополнительно напрягать отношения с СССР.

В следующем 1954 году, американская компания «Дженерал электрик» («ДжЭ») также синтезировала свои первые алмазы. В их опытах давление достигало 86 000 атмосфер при температуре 1560°С. Американцам удалось получить кристаллики размером почти в миллиметр. Американцы – не шведы, на приоритет Лейпунского им было наплевать, а СССР – вообще враг номер один в те времена. Они сразу стали считать себя первооткрывателями способа синтеза алмазов и запатентовали своё достижение. Резко подскочили акции «ДжЭ», она стала получать огромные заказы. Патент на крупнейшем мировом рынке алмазов в ФРГ стал приносить большую прибыль. Стоимость одного карата синтетических алмазов составляла 3,5 доллара (тогдашних!). Их применение позволяло увеличить производительность машиностроения примерно вдвое.

К 1970 году американцы научились выращивать крупные кристаллы алмаза весом до одного карата (объем кубика со стороной примерно 0,4 см). В расплавленном железе при 1400°С и давлении 57 килобар, при скорости роста от 1 до 2,5 мг/ч процесс занимал несколько дней. Агрессивная алмазная политика американцев дошла до того, что они стали вытеснять шведов с мирового рынка искусственных алмазов. Шведы думали долго и туго, но наконец, в 1968 году подали иск на американцев в Мюнхенский патентный суд.

Самое пикантное состояло в том, что шведы потребовали аннулировать патент «ДжЭ» на том основании, что заявленный в нём способ был ранее опубликован в СССР русским учёным О.И. Лейпунским! Но, быть может, американцы не читали статьи Лейпунского и «согрешили», будучи в добросовестном заблуждении? – Отнюдь! «Дженерал электрик» не могла не знать о моей работе, потому что о ней знал Бриджмен (нобелевский лауреат)», – сообщал Лейпунский в своей пояснительной записке под названием «Соображения в связи с иском «Дженерал электрик», которую он направил в Госкомитет по делам изобретений и открытий СССР. Он даже указал статью Бриджмена в журнале «Кемикал Физикс» (1947г.), в которой автор ссылался на его, Лейпунского, ключевую статью о синтезе алмазов.

Таким образом, до достижения успеха в получении алмазов американцы ссылались на статью Лейпунского, но сразу после своего успешного синтеза сделали вид, что не существует приоритетной работы этого советского ученого: они решили сами патентовать способ синтеза алмазов. Со шведами американцы тоже, конечно, не желали считаться, к тому же шведы поступали честнее: они не брали патента на синтез алмазов.
Когда назначенный судом эксперт из Франции Борис Водар посетил киевский Институт сверхтвердых материалов, там ему показали пресс и рассказали о технологии, работавшей по способу Лейпунского. На этом прессе получали две тысячи карат алмазов в день. А над прессом висел портрет О. И. Лейпунского.
Что происходило в суде точно не известно, но в тяжбе американцев со шведами, в конце концов, был достигнут какой-то темный компромисс, и шведы свой иск отозвали. Лейпунский считал, что «ДжЭ», по-видимому, втайне выплатила фирме ASEA немалые отступные деньги.

Для нашей страны вся эта недобросовестная история означало только одно: упущенная выгода от интеллектуальной собственности и моральный ущерб. Но сущность пресловутой «рыночной системы» империализма проявилась ещё глубже и позорнее.

К началу 1960-х годов наша страна, восстановив силы после разрушительной войны, смогла накопить достаточный научно-технический потенциал для продолжения работ в фундаментальных исследованиях. Лаборатория сверхвысоких давлений тоже достигла огромных успехов и сумела, наконец, получить искусственные алмазы. Лаборатория была преобразована в Институт физики высоких давлений (ИФВД) под Москвой в пос. Красная Пахра. Одновременно в Киеве был создан Институт сверхтвердых материалов, который разрабатывал технологию и инструментарий для применения алмазов в промышленности (шлифовально-полировальные диски, алмазные пилы, резцы, буровые коронки и т. д.). Советская промышленность стала получать с каждым годом все большие объемы искусственных алмазов. За 20 лет (1963-1983) сумма прибылей от их применения составила 10 млрд. рублей, то есть порядка 10 млрд. долларов по тогдашнему курсу.

Внешторгобъединение «Станкоимпорт» начало продавать свои алмазы на международном рынке. В декабре 1969 года «ДжЭ» подает иск на СССР в Мюнхенский патентный суд: русские без патента торгуют алмазами в стране, в которой действует американский патент! «ДжЭ» требует от СССР уплатить штраф в несколько миллионов долларов и убираться с международного рынка.

К сожалению, в СССР, среди околонаучных функционеров, участвовавших в «алмазном деле», тоже оказались люди, подобные американцам. При оформлении внутреннего патента, который действовал только в пределах СССР, не было ссылки на работу Лейпунского. Поэтому американцы и осмелились так нагло отрицать советский приоритет. Это было решающим аргументом в пользу американцев в международном торговом конфликте. У нашего правительства был риск уплатить штраф американцам и уйти с международного рынка.

В защиту советского приоритета выступило государство – начала действовать Торговая палата СССР. Главным козырем в «алмазной тяжбе» стало запоздалое представления от 5 января 1971 года приоритетной работы О. И. Лейпунского на регистрацию её как открытия. Документ подписан на высшем научном уровне нашего государства. Два вице-президента АН СССР — В. А. Котельников и Н. Н. Семенов – указывают: «Так как патент имел только внутреннее значение, то это дало возможность «Дженерал Электрик» предъявить к нам иск о нарушении её патентных прав в ФРГ и о возмещении убытков. В ответ на этот иск наши организации, используя, в частности, статью О. И. Лейпунского 1939 г. и сделанное им разъяснение отдельных обстоятельств спора, опротестовали патент «Дженерал Электрик».
Встретив жесткое и хорошо аргументированное сопротивление, американцы отступили. Продажи наших алмазов на рынке в ФРГ возобновились.

В настоящее время в основе промышленного синтеза алмазов во всех странах лежат теоретические результаты, опубликованные О. И. Лейпунским в 1939 г. Из синтетических алмазов изготовляется множество разнообразных алмазно-абразивных инструментов: круги, отрезные диски, пилы, хоны, надфили и др. Синтетические алмазы используются также в виде паст и порошков в доводочных и притирочных операциях. Еще одно перспективное направление дальнейшей разработки открытия Лейпунского – синтезирование алмазов заранее заданной формы.

Дополнительная информация об авторе открытия.
Овсей Ильич Лейпунский – доктор физико-математических наук, ученик академиков Я. Б. Зельдовича и Н. Н. Семенова, работал в Атомном проекте (за что был награжден орденом Ленина), участвовал в первом и всех последующих испытаниях атомных бомб под Семипалатинском, в 1960-х годах стал заниматься в Институте химической физики (ИХФ) твердым ракетным топливом.

По материалам Журнала «Государственное управление ресурсами» № 9/51/2009.




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz