Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов. Искусственные алмазы были синтезированы в 1954 г. (после длительной, пятидесятилетней поисковой работы) почти одновременно в США и Швеции. Синтез осуществлялся при давлении 50 000 атм и температуре 2000°С. Первые искусственные алмазы стоили в 30 раз дороже природных, но уже к началу 60-х годов их стоимость существенно снизилась. В последние десятилетия ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, по своим свойствам незначительно отличающихся от природных. Различия между синтетическими и природными алмазами можно определить только с помощью точных физических приборов. Доля искусственных алмазов на мировом рынке превышает 75%, от объема всей алмазной продукции.

В недалеком прошлом по производству и потреблению алмазов первое место в мире занимал бывший СССР. Более 8000 предприятий в нашей стране пользовались алмазным инструментом, причем советская промышленность производила более 2500 видов таких инструментов – от крошечных волочильных устройств до громадных режущих дисков для крупных каменных блоков.

Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления (рис. 6.11). Катализатором при таком превращении служат различные вещества: металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа Fe₃C с графитом. Кристаллизация алмазов происходит при давлении 50 000–60 000 атм и температуре 1400–1600° С. Алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн.

Обычно в реакторах высокого давления синтезируются алмазные кристаллы размером не более 1 мм. Такие мелкие камни вполне пригодны для промышленных целей, но из них трудно изготовить украшения. Сравнительно недавно разработана новая технология, позволяющая выращивать кристаллы алмаза размером до 6мм. По такой технологии небольшие кристаллы алмаза вначале растворяют в расплавленном катализаторе и затем в более холодные области расплава помещают в качестве затравки крошечные алмазинки. Процесс кристаллизации алмазов при этом длится несколько суток при давлении 55 000–60 000 атм и температуре 1400–1500° С. Данная технология позволяет выращивать монокристаллы алмаза относительно крупных размеров и высокого качества. Синтез алмазов, которые можно было бы превратить в крупные бриллианты так сложен и дорог, что синтезированные бриллианты не могут конкурировать с природными: кристалл искусственного алмаза массой 50–60 г (250– 300 карат) стоит столько же, сколько 1 т золота.

Искусственные алмазы применяют преимущественно для промышленных целей. Алмазные порошки и пасты, режущее и буровое оборудование с алмазными кристаллами оказались незаменимыми во многих отраслях промышленности. Алмазная технология позволяет повысить производительность труда на 30–50, а в некоторых случаях и на 100%. Искусственные алмазы находят применение при изготовлении часов, прецизионных приборов. Ими режут и обрабатывают твердые металлы, керамику, стекло и т. д. С их помощью изготовляют тончайшую проволоку.

Синтезирована особая разновидность черных алмазов, называемая карбонадо, которая тверже алмазов, встречающихся в природе. Карбонадо синтезирован методом порошковой металлургии – путем спекания обычного алмазного порошка при давлении 30–80 тыс. атм и температуре 1000° С. Карбонадо позволяет обрабатывать сами алмазы, из него изготавливаются сверхтвердые буровые коронки.

По своей структуре алмаз отличается от графита более плотной упаковкой атомов углерода в кристалле (рис. 6.11). В 1985 г. была синтезирована новая разновидность многоатомных молекул углерода в виде шаров и состоящая из очень большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Самой устойчивой оказалась молекула С₆₀, названная фуллероном (рис.6.12). За открытие новой формы многоатомных молекул углерода – фуллеронов – английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам – Роберту Керлу и Ричарду Смелли присуждена Нобелевская премия по химии в 1996 г. К этому открытию привели многолетние работы по расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества. Было ясно, что они связаны с углеродом, но в какой форме объединяются атомы углерода – долго оставалось загадкой. И только в результате моделирования в лабораторных условиях так называемой углеродной звезды удалось синтезировать молекулы углерода в виде шаров.

Фуллероны имеют исключительно высокую удельную емкость по водороду. В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным двойным связям углерода при высоких давлениях и температуре можно осуществить модификацию фуллеронов, что представляет практический интерес при создании перспективных аккумуляторов водорода.

Дальнейшие работы привели к созданию не только сферических молекул, но и эллипсоидальных (барелленов), трубчатых (тубеленов) и молекул других конфигураций. Из таких молекул можно создавать материалы невиданной прочности, элементы компьютеров XXI в., получать сита, способные разделять отдельные атомы по размерам.

Несмотря на рост производства искусственных алмазов и их широкое применение, обычные твердые материалы в виде различных карбидов металлов не утратили своей практической значимости. Хотя карбиды металлов менее тверды, чем алмазы, зато они более термостойки.

Сравнительно недавно из нитрида бора синтезирован материал, который тверже алмаза. При давлении 100 000 атм и температуре 2000° С нитрид бора превращается в боразон – материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

К настоящему времени налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.