Почему алмаз и грифель карандаша — это один и тот же углерод, но один царапает всё, а другим пишут?
Алмаз и графит сложены из одних и тех же атомов углерода — разница только в их укладке. В графите атомы лежат слоями, которые легко скользят друг по другу: оттого он мягкий, тёмный, оставляет след на бумаге и проводит ток. В алмазе те же атомы связаны в жёсткий трёхмерный каркас, где каждый держит четырёх соседей, — и получается самый твёрдый минерал на Земле, прозрачный и не проводящий ток. Одно вещество — два разных мира, и решает всё кристаллическая решётка.
Один углерод — две укладки: в графите атомы лежат скользящими слоями (мягкий), в алмазе связаны в жёсткий трёхмерный каркас (твёрдый).
Алмаз рождается не везде, а в особых условиях глубоко под землёй. Якутия — одно из главных мест на планете, где их добывают. Как же они там оказались?
Где рождается алмаз и как он доходит до поверхности, не превратившись обратно в графит?
Чтобы углерод собрался в алмазную решётку, нужны чудовищные давление и жар. Алмаз устойчив при давлении выше примерно 4,5–6 ГПа (45–60 тысяч атмосфер) и температуре 900–1300 °C — такие условия есть только в мантии Земли, глубже 150 км. Многие якутские алмазы выросли именно там, в холодном древнем основании Сибирской платформы (кратоне), часто за миллиарды лет до того, как попали наверх1.
Но вот загадка: у поверхности устойчив как раз графит, не алмаз. Почему же алмаз не рассыпается в графит, пока поднимается сквозь 150 км горячих пород? Ответ — в скорости. Алмазы выносит кимберлитовая магма (застывший её канал — знаменитая трубка «Мир» под Мирным, морковка, сужающаяся книзу, заполненная синеватым кимберлитом). Эта магма зарождается среди самых глубинных и поднимается со скоростью 4–20 метров в секунду — путь в 150–200 км она проходит за часы, а не за тысячелетия. В лаборатории при 6 ГПа и 1350 °C показали наглядно: при медленном подъёме (v < 3 м/с) больше 90% алмаза успевает перейти в графит, а при быстром (v > 10 м/с) — меньше 10%. Алмаз спасает только скорость выноса.
На P–T диаграмме алмаз устойчив при высоком давлении (мантия, глубже 150 км), графит — у поверхности. Быстрый подъём кимберлита не даёт алмазу графитизироваться.
Где работает тот же закон?
Это закалка — быстрое охлаждение, замораживающее «неправильную», но твёрдую структуру. Так закаливают сталь (резко охлаждают, запирая твёрдую фазу), так делают стекло, так получают многие сплавы: всюду скорость не даёт веществу скатиться в спокойное, но мягкое равновесие.
Алмаз термодинамически устойчив при высоких P–T (мантия, > ~150 км); у поверхности метастабилен относительно графита, но кинетический барьер сохраняет его. Быстрый подъём кимберлитовой магмы (метры в секунду) не даёт алмазу графитизироваться (Wikipedia, «Diamond»; «Kimberlite»). ↩
Алмаз у поверхности — метастабилен: стабильнее графит, и алмаз «хотел бы» им стать, но не может. Чтобы перестроить жёсткий каркас в слои, атомам нужно разорвать связи и сдвинуться, а на это требуется огромная энергия — стоит барьер. При комнатной температуре энергии не хватает даже близко, и алмаз застревает в своём состоянии буквально на миллиарды лет. Переход реально идёт только когда жарко — а единственное жаркое окно (подъём в магме) алмаз проскакивает слишком быстро, чтобы успеть превратиться. Так твёрдость алмаза — это, по сути, застрявшее, «забытое» прошлое глубин.
Открытый вопрос
Кимберлитовые трубки — почти единственная дорога алмаза наверх, но почему магма зарождается именно в этих точках и так редко, геологи до конца не понимают. Где и когда «выстрелит» следующая трубка — предсказать пока нельзя.
