Россия занимает первое место в мире по запасам и производству алмазов. Ежегодно на месторождениях в Якутии и Архангельской области добывают в среднем 40 млн карат алмазов. Большая часть минералов используется для технических нужд, и только 20 % драгоценных камней становятся украшениями. Перед тем, как попасть к покупателям, алмазы проходят длинный путь. Для того, чтобы в любой момент подтвердить происхождение редких и дорогих минералов, производители выполняют трейсинг — регистрацию всех этапов, которые алмаз проходит от месторождения до ювелирного магазина. Однако, существующие технологии отслеживания имеют ряд недостатков. Совершенствовать трейсинг помогает фундаментальная наука. Группа ученых Физического института РАН имени П. Н. Лебедева под руководством Сергея Кудряшова предложила принципиально новый способ маркировки алмазов, который позволяет идентифицировать драгоценные камни с вероятностью 100 %. Эта работа ведется в рамках масштабных исследований в области фотоники алмазов, поддержанных грантом РНФ.

Источник: Издательство Origami Books

— Сергей Иванович, для чего нужно отслеживать алмазы?

— Для того, чтобы специалисты или покупатели могли убедиться — перед ними настоящий алмаз легального происхождения, а не синтетический или «конфликтный» камень. Полвека назад люди научилось выращивать в лабораториях искусственные алмазы. Технологии совершенствуются, и современные синтетические кристаллы почти идентичны природным по своим физическим и химическим свойствам, обладают высокой степенью чистоты, как и наиболее редкие и дорогие природные алмазы. Более того, производители имитируют спектральные характеристики, характерные для настоящих алмазов. Сегодня на  вторичном рынке много таких искусственных алмазов продается под видом природных.

Еще одна проблема отрасли — алмазы, которые добывают в Африке, в зоне военных конфликтов. Нередко разработка таких месторождений ведется с использованием рабского и детского труда, а прибыль от продажи драгоценных камней получают преступные сообщества. Чтобы этими «конфликтными» и «кровавыми» алмазами было неповадно торговать, в начале 2000-х годов появились международные органы — Кимберлийский процесс и Всемирный алмазный совет. Трейсинг — это незаменимый инструмент, который позволяет участникам рынка определять происхождение алмазов, исключая из продажи контрафакт.

— Для того, чтобы кристалл отследить, его нужно каким-то образом маркировать, верно?

— Совершенно верно. Причем следует сделать так, чтобы метка не испортила алмаз, была невидима и оставалась в камне даже после переогранки. Распространенные способы маркировки не позволяют этого делать. Например, уникальный номер сертификата наносят на рундист — «поясок» по периметру камня, за который бриллиант крепится в оправу. Но мошенники такую гравировку могут легко подделать.

Мы пошли дальше и попробовали разместить метку внутри алмаза. Произошло это лет десять назад, когда в лаборатории появилось современное оборудование. С помощью лазера ультракоротких импульсов мы нарисовали в толще камня треки из графита. Эти метки были невидимы невооруженным глазом и отвечали Кимберлийскому стандарту, то есть не просматривались через лупу с десятикратным увеличением. Но все же мы понимали, что черные графитовые метки необратимо снижают качество камня, а значит, падает и цена такого кристалла. Мы продолжили поиски.

Исследования вышли на новый уровень после предложения Алексея Левченко, занимающегося NV-центрами* в алмазе. Он обратил наше внимание на эти особые дефекты кристалла — оптические центры, включающие в себя атомы азота. Нам удалось подобрать такие условия, чтобы при воздействии ультракоротких импульсов не происходила перестройка алмазной решетки в графитовую. Вместе с тем, в момент взаимодействия фемтосекундного излучения с кристаллической решеткой отдельные атомы азота становились подвижными и изменяли структуру исходных оптических центров, что позволяло сформировать в камне полностью прозрачное люминесцентное микроизображение из модифицированных лазером оптических центров.

* NV-центр — точечный дефект алмаза, представляющий собой атом азота и вакансию в соседнем узле кристаллической решётки. Дефекты встречаются в природных и синтетических кристаллах из-за большого количества азота в окружающей среде.

— В чем преимущества технологии? Заинтересовала ли она промышленные предприятия?

— В рамках технологии, разработанной нашим технологическим партнером — компанией «Микролазер», в алмазе можно записать QR-код или штрихкод и привязать к нему информацию о камне — где произведен, фото, характеристики и так далее. Эти данные доступны через сеть в облачном хранилище. 

Важно, что наномаркировка не влияет на качество алмаза. Нашу фотолюминесцентную микромасштабную метку не видят геммологи, ее можно считать только особым сканером, используя лазерное излучение определенной длины волны. Еще одно преимущество заключается в том, что рисунок распределяется по всему объему алмаза. Благодаря этому бриллианты, получившиеся после распила и огранки алмаза, сохраняют уникальный код.

Когда стала очевидна перспективность технологии, интерес к ней стали проявлять алмазодобытчики. С лабораторией и компанией «Микролазер» начала сотрудничать компания «АЛРОСА», которая предоставила для экспериментов минералы со своих месторождений. С этого стартовала инженерная линия проекта: были разработаны устройства для записи и считывания меток, а также усовершенствованы технологические решения. Сейчас процесс нанесения метки занимает несколько минут, а сканирование происходит за секунды. На старте эти показатели были существенно хуже.

Лазерная маркировка получила российский патент, сейчас технологию патентуют в США, Китае, Гонконге, Макао, Тайване, Великобритании, Израиле, Бельгии и Индии. Разработка успешно завершилась, но научные исследования, ориентированные на более глубокие задачи в рамках мегапроекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, продолжаются.

— Какие? Расскажите о них подробнее, пожалуйста.

— Прежде всего — это создание лаборатории мирового уровня в интересах развития научно-технического комплекса России. Важнейшие направления исследований, актуальные задачи и инструментальные методы, способные их решать, вырисовываются уже сейчас. Но, возможно, со временем появится нечто большее — новая научная школа, которая предложит новое видение перспектив фотоники алмазов с учетом широких возможностей современного лазерного, спектрально-оптического, электронно-микроскопического оборудования, позволяющего проникнуть в структуру алмаза и направленно ее изменить.

Задач множество — как научных, так и прикладных. Наша группа занимается детальной характеризацией структуры алмазов на микроуровне, разрабатывает принципы модификации — например, изменения окраски — природных и синтетических кристаллов при помощи фемтосекундных лазеров. Еще одно важное направление — создание иммерсионных составов с показателем преломления, близким к показателю преломления алмаза. Их использование позволит «заглянуть» внутрь необработанного драгоценного камня и увидеть оптические неоднородности, вкрапления, трещины. Сейчас сделать это в полевых условиях затруднительно без создания полированных участков (окон). В свою очередь, такая задача требует специального оборудования с учетом максимальной твердости алмаза. В скором будущем иммерсионные составы станут незаменимым инструментом для добывающих компаний, для огранщиков и геммологов, в том числе для идентификации алмазов в ходе трейсинга.

В целом можно сказать, что ученые только-только знакомятся с микромиром кристаллов алмаза и узнают, какие они бывают разные. Мир природных алмазов значительно более разнообразен, чем синтетических: реализация множества механизмов роста и внутренней структуры, комбинация примесных компонентов обуславливают многообразие форм и окрасок. Исследование природных алмазов мы проводим совместно с геологическим факультетом МГУ им. М. В. Ломоносова и алмазодобывающей компанией «Алроса».

Мы исследуем базовую физику взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с алмазом — особенности нелинейного распространения в кристаллах и фотовозбуждения, локального микромасштабного взаимодействия фотовозбужденных электронов с кристаллической решеткой в план генерации пар дефектов Френкеля «междоузлие-вакансия», анизотропных механических напряжений в несколько десятков гигапаскалей и сильного локального нагревания в несколько тысяч градусов.

Каждый из указанных процессов может изменить структуру оптических центров алмаза и разобраться, какой из них наиболее важен для модификации, непросто — это одна из основных задач наших исследований. Но, с другой стороны, благодаря этому мы располагаем  большими возможностями для управления свойствами алмаза и получения принципиально разных результатов в их изменении, в том числе с помощью управления спектром, длительностью и энергетикой лазерного излучения.

На этом солидном основании базируются наши перспективные планы, связанные со следующими этапами проекта — более глубокое знакомство с физикой и материаловедением алмазов, а также инновационное управление свойствами кристаллов. Речь в том числе идет о том, чтобы корректировать дефекты алмазов. Кроме того, мы планируем научиться создавать на этой оптической платформе передовые микро- и нано-оптические устройства.

—  Неудивительно, что ученым интересны натуральные камни, ведь каждый из них уникален в своем роде. А почему физики занимаются искусственными алмазами? Ведь они выращены в лабораториях и наверняка похожи друг на друга как близнецы. 

— Нет, технологии производства камней еще не настолько совершенны, чтобы получать кристаллы с одинаковыми заданными свойствами. Так что в этой области остается много вопросов. Например, искусственные алмазы, как и природные, часто содержат дефекты, о которых речь шла выше: в кристаллическую решетку из атомов углерода встраиваются атомы азота и другие элементы. Это влияет на цвет и прозрачность алмаза. С недавних пор мы можем изменять цвет синтетических кристаллов, модифицируя структуру окрашивающих их примесных оптических центров при помощи лазера.

Воздействуя лазерными импульсами на алмазы Imperial Red Diamonds^ТМ с красным оттенком, мы выяснили, что обработка приводит к обесцвечиванию большинства таких атомистических дефектов в местах облучения. Вероятно, атомы азота были «выбиты» излучением или же соединились в более крупные группы, не взаимодействующие с видимым светом. Таким образом мы можем убирать дефекты, повышая прозрачность и качество синтетических кристаллов. Кроме того, лазер дает возможность записать внутри камня систему штрих- или QR-кодов, чтобы с ее помощью контролировать оборот искусственных алмазов. То есть мы опять вернулись к трейсингу алмазов, с которого начали разговор.

В целом современные технологии открывают широчайшие возможности для изменения алмазов. Если классические способы облагораживания драгоценных камней — облучение частицами высоких энергий, нагрев, высокое давление — традиционными методами относительно легко идентифицировать, то в случае применения ноу-хау определить происхождение камней уже затруднительно. Может, действительно, мы стоим на пороге нового технологического этапа в фотонике алмазов?

— Сергей Иванович, что дает вашей группе поддержка Российского научного фонда?

—  Поскольку у нас большой проект со многими задачами, главная сложность заключается в том, чтобы создать компетентную и дружную команду. Благодаря гранту РНФ мы смогли не только привлечь молодое поколение к исследованиям мирового уровня, но и собрать сильных профессионалов из разных областей науки, вести исследования широким фронтом в разных междисциплинарных направлениях. Помимо студентов и молодых ученых лаборатории, в число которых входят высококвалифицированные оптики — выпускники МГТУ им. Н. Э. Баумана, участниками проекта является хорошо известные специалисты алмазной науки: сотрудник геологического факультета МГУ Галина Криулина, представитель компании «Алроса» Олег Ковальчук, наш коллега из ФИАН Роман Хмельницкий. Особо хочу сказать о Викторе Винсе, который работает в компании «Велман». Это гуру алмазной прикладной науки и первопроходец в области модификации свойств алмаза. Также с лабораторией сотрудничают коллеги из ВНИИ «Алмаз», компании ИТЕР и других российских центров, исследующих алмазы. Такая кооперация дает положительный эффект развитой научной среды: когда разные люди исследуют одну и ту же задачу, возникает благоприятная научная среда для обмена мнениями. Ты можешь обсудить с оппонентом свою идею, получить ее квалифицированный анализ.

На средства гранта мы приобрели уникальное дорогостоящее лазерное оборудование отечественного производства, позволяющее ставить и, в перспективе, решать инновационные научные задачи, потенциально лежащие в основе новых технологий обработки алмазов, а, возможно, и других драгоценных камней.

В целом, поддержка Фонда позволяет нам выполнить уникальную программу масштабных фундаментальных и прикладных научных исследований в области лазерных технологий и материаловедения алмазов, заложить основы нового научного центра фотоники алмазов.

https://rscf.ru/news/interview/sergey-kudryashov-lazernyy-pasport-dlya-almazov/