Diament - minerał niezwykły

Problemy 02/1992

 
 Wszystko co chcielibyście wiedzieć o diamentach a baliście się zapytać - myśląc że odpowiedź będzie zbyt pobieżna, zbyt lifestylowa, za mało naukowa. Poniżej niezwykły bo fascynujący a jednocześnie pozbawiony fałszywego blichtru artykuł tłumaczący to wszystko czego nie wiemy o niezwykłych minerałach, których wagę określamy za pomocą wagi manny z nieba.
Gorąco polecam.
Citronian-Man

---------------------------------------------------------------- 
      Nietrudno zauważyć, że książka ta niewiele mówi o kamieniach szlachetnych i ozdobnych. Nie jest to przeoczenie. O kamieniach tych napisano u nas już wiele książek. Można by zresztą mówić i pisać o nich bez końca. Każdy ze sławnych diamentów ma swoją barwną historię, która, zanim została spisana atramentem przez kronikarzy, wcześniej została napisana, bez żadnej przesady, krwią i łzami. Jeśli nawet jednak pominie się te historie, to w książce o minerałach nie sposób pominąć samego diamentu - minerału o niezwykłych cechach, niezwykłej roli w dziejach i współczesności, i niezwykłym pochodzeniu...
Wbrew powszechnemu mniemaniu nie jest to natomiast minerał najdroższy. Na światowych giełdach jubilerskich najwyżej ceniony jest nie diament, lecz rubin. Doskonale wykształcony birmański rubin o barwie określanej jako „gołębia krew" jest dwukrotnie droższy od doskonałego diamentu tej samej wielkości. Wartość wydobywanych na świecie diamentów przekracza jednak znacznie wartość wszystkich innych kamieni jubilerskich razem wziętych, gdyż na diamenty przypada 96% ogólnej wartości, podczas gdy na wszystkie pozostałe kamienie tylko 4%. Wśród światowych produktów górniczych diament zajmuje pod względem wartości siódme miejsce.

Również wbrew powszechnej opinii, według której diament jest przede wszystkim kamieniem szlachetnym, jedynie około 20% diamentów może być wykorzystane dla celów jubilerskich - są to pojedyncze, dobrze wykształcone kryształy nie zawierające wrostków i wolne od defektów. Większość diamentów to diamenty przemysłowe, wśród których wyróżnia się kilka odmian:

- bort - pochodzące ze złóż afrykańskich diamenty mikrokrystaliczne, zrosty drobnych kryształów nieprzezroczyste od wrostków obcych substancji;

- ballas - kuliste diamenty o strukturze koncentrycznej;

- karbonado - mikrokrystaliczne agregaty drobnych, czarnych kryształów, pochodzące z Ameryki Południowej;

- kongo - drobnoziarniste kruszywo diamentowe stosowane jedynie jako materiał ścierny.

Wysoki udział diamentów przemysłowych w ogólnym wydobyciu tego minerału oraz wielkie znaczenie diamentu we współczesnej technice są powodem, że krzywa wzrostu produkcji diamentów ma przebieg podobny jak krzywa wzrostu produkcji stali. Świadczy to, że obecnie diament to w mniejszym stopniu kamień jubilerski (bez którego można by się obejść),

w większym zaś stopniu surowiec przemysłowy, bez którego niewyobrażalna byłaby współczesna technika.

Skład chemiczny diamentu jest bardzo prosty. Diament jest krystaliczną postacią węgla. Jego wzór chemiczny C jest taki sam jak symbol pierwiastka. Odpowiednio do prostego składu chemicznego diament krystalizuje w układzie krystalograficznym o najwyższej symetrii, czyli w układzie regularnym. Węgiel może występować w przyrodzie także w postaci innego minerału - grafitu, krystalizującego w układzie heksagonalnym, a więc również w układzie o wysokiej symetrii. Stosunek tych minerałów do siebie długo był niejasny. Sir Isaac Newton wyraził w 1675 r. przypuszczenie, że diament jest ciałem palnym; idąc za jego myślą dwaj włoscy uczeni, Averani i Targioni, przeprowadzili w 1694 r. doświadczenie, w wyniku którego diament uległ spaleniu. Ostatecznie rozstrzygnęły zagadnienie badania uczonych angielskich. Smithson Tennant spalając diament i grafit stwierdził identyczność produktów reakcji, a Humphry Davy i Michał Faraday udowodnili, że diament spalony w atmosferze tlenu przechodzi bez reszty w dwutlenek węgla.

Istnieje siarka rombowa i jednoskośna, fosfor biały, żółty i czerwony, ale w przypadku dwóch minerałów, w skład których wchodzi pierwiastek węgiel, można powiedzie, że przyroda przeszła samą siebie tworząc dwie substancje o całkowicie przeciwstawnych cechach. Diament jest najtwardszy ze wszystkich minerałów, grafit należy do minerałów najbardziej miękkich. Diament jest bezbarwny (zdarzają się jednak odmiany barwne - żółte, niebieskie, różowe itd.) i doskonale przezroczysty, grafit jest czarny i     całkowicie nieprzezroczysty. Grafit o gęstości 2,25 g/cm3 należy do minerałów najlżejszych, diament o gęstości 3,52 g/cm3 należy do minerałów ciężkich. Diament jest stosowany w technice do cięcia i ścierania wszystkich innych materiałów, grafit jest używany tam, gdzie sam się ściera - w ołówkach i smarach grafitowych.

W sieci przestrzennej diamentu występują niekiedy atomy obcych pierwiastków, głównie azotu i boru. W kryształach diamentów występują wrostki innych minerałów, najczęściej tlenków żelaza i różnych form krzemionki. Tlenki żelaza nadają diamentom barwę żółtawą, o diamentach technicznych ze złoża Bushimaia w Zairze mówi się, że mają barwę „zamarzniętego końskiego moczu" - określenie niezbyt estetyczne, ale obrazowe.

Jako wrostki w diamentach tkwią także ilmenit, rutyl, fragmenty skał oraz powstałe wcześniej drobne diamenty. Ciekłe wrostki dwutlenku węgla zamkniętego w diamencie pod wysokim ciśnieniem powodują niekiedy samorzutne pękanie diamentów.

Krystalizujący w układzie regularnym diament występuje w postaci ośmiościanu, sześcianu, dwunastościanu rombowego, rzadziej czworościanu. Szczególnie pospolita jest pierwsza z tych postaci; ośmiościany diamentu mają zwykle nieco wypukłe ściany i zaokrąglone krawędzie, co nadaje im pokrój kulisty.

Jednostką miary wielkości diamentów jest karat (karat ten nie ma jednak nic wspólnego z karatem stosowanym w złotnictwie do określania próby złota, czyli procentowej zawartości czystego złota w stopie). Karat jubilerski jest jednostką masy kamieni szlachetnych. Jednostka ta ma ciekawą historię. W obszarze śródziemnomorskim rośnie drzewo o strączkowych owocach nazywane popularnie chlebem świętojańskim (szarańczyn - Ceratonia siligua). Drzewo to rośnie dziko, bywa też hodowane ze względu na różnorodne pożytki, strąki są pożywieniem dla ludzi i paszą dla koni, sok jest używany do napojów alkoholowych i syropów, z drewna wyrabiane są meble, zaś twarde nasiona służyły już w starożytności jako odważniki stosowane przez jubilerów i farmaceutów. Nazwa karat pochodzi od greckiej nazwy tej rośliny - keration. Nasiona tkwiące w dojrzałych strąkach mają bardzo wyrównaną wielkość (197 miligramów), niemniej jednak jednostka ta nie była zbyt ściśle określona i stwarzała możliwości nadużyć i nieporozumień, i dlatego od 1907 r. stosuje się tak zwany karat metryczny o masie 0,2 g, czyli 200 mg. Natomiast masę diamentów przemysłowych określa się w gramach.

Wielkość kryształów diamentu bywa różna, od submikroskopowych do ponad 600 g. Taką bowiem masę - 3106 karatów miał największy z dotychczas znalezionych diamentów, słynny Cullinan. Był to zresztą tylko fragment kryształu, którego całkowita masa musiała być co najmniej dwukrotnie większa, drugiego fragmentu niestety nie odnaleziono. Okruchowe ziarna diamentu występujące w złożach rozsypiskowych mają formy ostrokrawędziste lub zaokrąglone.

Nadzwyczajna twardość diamentu była powodem, dla którego w starożytności nadano mu nazwę „adamas" - niepokonany, od której pochodzi obecna nazwa. Gorzej, że nieraz mylono pojęcie twardości ze spójnością, uważając, że diament jest odporny na wszelkie działania mechaniczne i sprawdzano jakość diamentów uderzeniem młota kowalskiego w diament leżący na kowadle. Takiej próbie żaden diament nie mógł sprostać, jest on bowiem, przy swej wielkiej twardości, minerałem kruchym. Była to więc metoda badań równie kosztowna jak odróżnianie banknotów prawdziwych od fałszywych na podstawie różnic popiołu po ich spaleniu.

Twardość diamentu jest niezwykła, wynosi 10 w skali Mohsa; nie oznacza to jednak, że diament jest dziesięć razy twardszy od talku o twardości 1, a dwa razy twardszy od fluorytu o twardości 5. W rzeczywistości twardość diamentu jest około 180 razy większa od twardości korundu - minerału, który w skali Mohsa bezpośrednio go poprzedza. Twardość diamentu jest więc zupełnie wyjątkowa i w dużym stopniu decyduje o niezwykłości tego minerału. Skrytokrystaliczne odmiany diamentu mają twardość równie wysoką jak kryształy pojedyncze, a jednocześnie dzięki swej mikrokrystalicznej, mozaikowo pozazębianej strukturze nie pękają pod działaniem nawet silnego uderzenia. Dlatego też bort jest materiałem technicznym znacznie cenniejszym niż diament występujący w pojedynczych kryształach.

Z nadzwyczajną twardością diamentu wiążą się sposoby obróbki tego kamienia. Już w starożytnych Indiach szlifierze doszli do wniosku, że diament można obrabiać tylko innym diamentem, a polerować tylko za pomocą proszku diamentowego. Wyższa twardość proszku diamentowego od twardości pojedynczego diamentu wynika z tego, że twardość diamentu jest w różnych kierunkach różna. Jest to zjawisko pospolite w kryształach minerałów (kryształy są ciałami anizotropowymi), ale w przypadku diamentu ta różnica twardości ma wyjątkowe znaczenie. W proszku diamentowym znajdują się cząstki o różnej twardości, a więc także o twardości najwyższej z możliwych. One właśnie decydują o twardości proszku diamentowego. Szlifierze diamentów twierdzą także, że diamenty z niektórych złóż są wyjątkowo twarde, do takich należą diamenty z wyspy Kalimantan (Borneo) oraz z Nowej Południowej Walii.

Mimo swej wysokiej twardości diament pod wpływem uderzenia może pękać wzdłuż płaszczyzn równoległych do ścian ośmiościaniu (zdarza się także pękanie oszlifowanych diamentów pod wpływem długotrwałego nacisku oprawy). Łupliwość wykorzystuje się, aby kamieniom nadać odpowiednią formę przed ich cięciem i szlifowaniem. Straty masy diamentu podczas obróbki są bardzo duże i przygotowanie odpowiedniej kształtki jest bardzo istotne dla dalszej obróbki. Przykładem takiej operacji może być wspomniany już, znaleziony w 1905 r. diament Cullinan. Na diament o masie 3106 karatów trudno było znaleźć nabywcę, wobec tego zakupił go za 150.000 funtów szterlingów rząd Transwaalu na podarek urodzinowy dla króla Edwarda VIII. W 1908 r. zlecono amsterdamskiej firmie I.J. Asscher obróbkę tego diamentu; wstępnym jej etapem miało być rozłupanie kamienia. Właściciel firmy najpierw przez miesiąc przyglądał się diamentowi. Później (dokładnie 10 lutego o godzinie 14.45) umieścił ostrze klingi w V-kształtnym nacięciu i z całej siły uderzył w jej grzbiet młotem. Kryształ jednak nie ustąpił. Przy następnym uderzeniu kryształ pękł zgodnie z przewidywaniem, całkiem jednak nieoczekiwanie jubiler padł zemdlony na ziemię.

Z rozłupanego kryształu wykonano dwa największe z oszlifowanych diamentów. Cullinan I, czyli „Gwiazda Afryki" o masie 530,2 karata ma kształt gruszki o 74 ścianach (czyli „fasetkach") - jest umieszczony w brytyjskim berle. Cullinan II, o masie 317,4 karata, jest wstawiony w koronę brytyjską.

Prócz tego poddano obróbce jeszcze dwa dalsze duże brylanty - Cullinan III i Cullinan IV, uzyskując jeden kamień w kształcie serca, jeden w kształcie jaja, dwa czółenka, czyli markizy, oraz 96 małych brylantów. Ogólna masa wszystkich obrobionych kamieni wynosiła 1063,65 karata; oznacza to, że straty przy obróbce wyniosły 65,75% pierwotnej masy kamienia. W listopadzie 1908 r. klejnoty oddano królowi Edwardowi VIII.

Szybkość obróbki jubilerskiej Cullinana nie była niczym nadzwyczajnym. Pochodzący z Indii słynny diament Koh-i-noor został w 1852 r. przeszlifowany na owalny, płaski brylant w czasie 38 dni (dzień pracy trwał 12 godzin). Masa diamentu zmniejszyła się ze 191 do 108,9 karata. Nowy szlif polepszył „grę światła kamienia, ale nie osiągnięto klasycznych proporcji brylantu, a jednocześnie diament przestał być tym, czym był przez długie wieki - przekazem historycznym z epoki wielkich Mogołów i ozdobą Pawiego Tronu.

Pojęcia „diament" i „brylant" są niekiedy mylone. Brylant (błyszczący) to szczególny rodzaj szlifu uwypuklającego cechy optyczne diamentu. Brylant skrzy się różnymi barwami - „rzuca ognie", w każdej chwili jest inny, w każdej chwili niepowtarzalny. Niezniszczalny, wieczny kamień jest jednocześnie kalejdoskopem blasków krótszych niż mgnienie oka...

Na własności optyczne diamentu składa się jego doskonała przezroczystość, bardzo wysoki współczynnik załamania i bardzo duża dyspersja współczynnika załamania, czyli różnica współczynników załamania dla skrajnych części widma światła białego. Różnica ta powoduje rozszczepienie światła podobne do rozszczepienia przez pryzmat. Wysoki współczynnik załamania światła powoduje silne odbicie od ścian kryształu - diament i inne minerały o wysokim współczynniku mają połysk zwany diamentowym. Odbiciu ulega jednak tylko część padającego na powierzchnię diamentu światła. Ta część, która wniknęła w kryształ, znajduje się teraz w ośrodku o większej gęstości optycznej, tyle razy większej od gęstości optycznej powietrza, ile wynosi współczynnik załamania światła - w przypadku diamentu jest on równy 2,41. Z tak wysokiego współczynnika

Rye. 1. Struktura diamentu.

załamania wynika, że graniczny kąt całkowitego wewnętrznego odbicia wynosi 24°26\ Jeśli promień, który wniknął do kryształu, padnie na jego przeciwległą stronę pod kątem niniejszym od kąta granicznego, to nie wydostanie się z kryształu, lecz odbije się wewnątrz niego, rozkładając jednocześnie na barwy składowe. Odbite promienie padając na inne ściany mogą również odbijać się wewnątrz kryształu, aż wreszcie padając pod kątem większym od granicznego wynurzają się i trafiają do oka obserwatora.

Własności optyczne diamentu, z osobna biorąc, nie osiągają wartości skrajnych. Wyższe współczynniki załamania ma hematyt, proustyt (tetraedryt srebrowy), rutyl i anataz (tlenki tytanu), kupryt i krokoit (chromian ołowiu). Wyższą dyspersję współczynników załamania ma rutyl, anataz, tytanit, sfaleryt (siarczek cynku), kasyteryt (tlenek cyny) i jeszcze kilka innych minerałów. W żadnym przypadku nie ma jednak takiej zbieżności korzystnych cech jak u diamentu. Zarówno współczynniki załamania jak ich dyspersja nie ujawniają się wyraźnie w minerałach słabo przezroczystych, a do takich należy większość z wymienionych. Są one poza tym zbyt miękkie. Dla przykładu kasyteryt ma dyspersję współczynników załamania wyższą niż diament, ale sam współczynnik (ściśle mówiąc - współczynniki, gdyż kasyteryt nie należy do układu regularnego i ma dwa współczynniki załamania światła) znacznie niższy niż diament, zaś twardość jego wynosi tylko 7. Rutyl mając wyższe współczynniki i wyższą dyspersję jest najczęściej nieprzezroczysty, poza tym twardość jego wynosi zaledwie 6. Na placu pozostaje sam tylko diament - adamas - niepokonany.

Diamenty w stanie surowym są mniej efektowne od barwnych kamieni szlachetnych. Dlatego też w średniowiecznej Persji ceniono je niżej od pereł, rubinów, szmaragdów i chryzolitów. Podobnie traktowano diamenty także w średniowiecznej Europie. Wynikało to częściowo ze sposobu obróbki tych kamieni. Wszystkie diamenty Bliskiego Wschodu i Europy pochodziły w tym czasie z Indii i były obrabiane na sposób indyjski, to znaczy tak, aby pozostawić możliwie jak najwięcej z pierwotnej masy kamienia, płaskie powierzchnie szlifowano tylko wtedy, gdy trzeba było usunąć jakiś występ lub warstwę dla pozbycia się głębiej tkwiącej skazy. Tak obrobiony diament nie mógł okazać całego swego piękna.

Pełnię tego piękna wydobyły dopiero umiejętności człowieka. Chociaż diamenty są znane od kilku tysięcy lat, pierwsze próby obróbki uwzględniającej

ich własności optyczne datują się od XIV wieku. Pierwotnie diamenty oprawiano w stanie nie obrobionym lub co najwyżej zacierano przez szlifowanie rażące wady powierzchni. Później nauczono się uzyskiwać dość prawidłowe ośmiościany przez rozłupywanie diamentu według płaszczyn łupliwości. Kolejnym etapem obróbki było szlifowanie płaskiej tabliczki ścinającej górny wierzchołek ośmiościanu. W XV w. pojawił się szlif łączący płaską tabliczkę i regularny stożek. Za twórcę właściwej formy brylantu jest uznany Wenecjanin Vincenzo Perucci żyjący w XVII w. Najważniejszymi elementami tego szlifu są: tabliczka, korona i podstawa. Promień świetlny padający na koronę i tabliczkę powinien po przejściu przez brylant padać na ściany podstawy pod kątem mniejszym od granicznego kąta 24°26', tak aby nie wydostał się na zewnątrz, następnie zaś po wewnętrznym odbiciu powinien padać na koronę i tabliczkę pod kątem większym od tej wartości, gdyż inaczej - nie mogąc wyjść z diamentu - byłby stracony dla oka obserwatora. Pełnię blasku diamentu pozwolił osiągnąć dopiero „szlif brylantowy nowoczesny" opracowany w 1910 r. Szlif ten ma w górnej części tabliczkę i co najmniej 32 ścianki, zaś w dolnej co najmniej 24 ścianki. Szlif brylantowy został opracowany specjalnie dla diamentów, dlatego też nazwa „brylant" oznacza, że jest to diament, któremu nadano taki właśnie szlif. Istnieją także inne rodzaje szlifu, ustępują one jednak brylantowi. Jako przykład można wymienić szlif „8/8", w którym część górna i dolna mają po osiem ścian (górna ma także tabliczkę). Szlif ten jest stosowany do obróbki małych diamentów, na jeden karat może przypadać 500 diamentów o takim szlifie.

Obróbka diamentów należy do najbardziej wyspecjalizowanych gałęzi przemysłu. Około 80% światowej produkcji diamentów jest kontrolowane przez koncern „De Beers Consolidated Mines Limited". Handel hurtowy koncentruje się w Londynie, skąd kamień wędruje do Amsterdamu, Antwerpii, Nowego Jorku, Mediolanu, Toronto, Tel-Awiwu, Idar-Oberstein i innych centrów obróbki. Metody obróbki ulegają ewolucji, ale najważniejszym czynnikiem jest, jak w żadnym chyba innym zawodzie, pewność ręki i oka szlifierza. Znaczną oszczędność masy diamentów uzyskano zastąpieniem ryzykownego rozłupywania przez cięcie diamentowymi piłami. Piły takie, o grubości 0,05 mm, są wykonane z brązu fosforowego i obsadzone na obwodzie proszkiem diamentowym. Obracając się z prędkością 500 obr./min. przecinają diament o masie 1 karata (około 6,5 mm średnicy) w czasie około 7 godzin.

Dla ochrony przed kradzieżą i próbami sprzedaży po rozcięciu i przeszlifowaniu największe diamenty mają kartoteki swoich szczególnych cech w postaci atlasów plam odbitych i załamanych promieni.

Diament odróżnia się od innych kamieni przede wszystkim na podstawie jego twardości. Prostą metodą jest także obserwacja zapocenia diamentu, gdyż parowanie naniesionej przez oddech cienkiej warstewki skroplonej pary jest znacznie szybsze niż jej parowanie z powierzchni innych kamieni. Udoskonaloną metodą opartą na tej samej zasadzie jest „diamentowy ołówek" - czujnik wskazujący obniżenie temperatury przyłożonego do diamentu styku metalowego na skutek szybkiego odprowadzenia ciepła przez diament.

Wysokie przewodnictwo cieplne diamentu jest zjawiskiem osobliwym. Przewodnictwo cieplne jest zwykle związane z przewodnictwem elektrycznym. W przypadku diamentu jest inaczej, łączy on dwie, na pozór wykluczające się cechy. Jego własności elektryczne stawiają go na jednym z pierwszych miejsc wśród izolatorów, a jednocześnie przewodnictwo cieplne jest wyższe niż przewodnictwo metali i w ogóle wszystkich znanych substancji.

Cechy diamentu zostały wykorzystane w wielu dziedzinach współczesnej techniki. Najpopularniejszym i jednym z najstarszych zastosowań jest cięcie szkła. Diament jest tutaj niezastąpiony; obliczono, że masa jednego karata wystarczyłaby do przecięcia tafli szklanej o długości większej niż odległość z Ziemi do Księżyca. Cięcie szkła to jednak nie tylko przycinanie szyby okiennej - diamentem nacina się po- działki na najdokładniejszych przyrządach optycznych i siatki dyfrakcyjne spektrometrów.

Nacięcia na szkle były podobno punktem wyjścia dla zastosowania diamentów w wiertnictwie. Podczas budowy pierwszego tunelu kolejowego pod Alpami prace szły tak opornie, że prowadzący je inżynier doszedł do wniosku, że trzeba na nich „postawić krzyżyk" i odpowiednio do swoich myśli zrobił ruch ręką, na której palcu miał pierścień z diamentem. Na szybie, przez którą patrzył na plac budowy, powstały dwa krzyżujące się ślady. To nasunęło mu myśl, aby do skrawania skał, których twardość jest zbliżona do twardości, szkła, zastosować diament. Taki miał być (jeśli to prawda) początek diamentowych koronek, czyli rur, na których obwodzie osadzone są diamenty. Zastosowanie diamentów zamiast twardych spieków znacznie zwiększa szybkość wiercenia i obniża jego koszt. W koronkach wiertniczych stosuje się diamenty o masie 0,5-1 karata. Ze względów całkiem zrozumiałych nie są to diamenty jubilerskie; pomijając wszystko inne, diamenty takie łatwo pękałyby według płaszczyzn łupliwości. Najbardziej odpowiednie są diamenty karbonado, a zwłaszcza ballas o formach owalnych. Jeśli diamenty przemysłowe form takich nie mają, nadaje się je przez wzajemne ich obijanie w odpowiednich wirujących urządzeniach. Diamenty takie wytrzymują większe naciski i mimo że są bardziej tępe od ostrokrawędzistych, lepiej i szybciej drążą skały.

Noże diamentowe służą do wygładzania tarcz ściernych, ostrzenia przyrządów skrawających i obrabiania powierzchni z dokładnością do 0,5 mikrometra; jest to szczególnie ważne przy obróbce powierzchni krzywek, wałków i palców rozrządu itd. Diamentowe igły gramofonowe zapewniają doskonałe odtwarzanie zapisu dźwiękowego i przedłużają żywotność płyt. Diamentowe ostrza stosuje się w niektórych narzędziach chirurgicznych i mikrotomach.

Do głównych zastosowań diamentów należy wyrób filier, czyli wkładek kalibracyjnych do ciągadeł drutów i włókien sztucznych. Ma to szczególne znaczenie w produkcji drutów dla przemysłu elektrotechnicznego, sit metalowych i tkanin spadochronowych. Filiery diamentowe są kilkaset razy twardsze od wykonanych z innych materiałów i mogą znacznie dłużej pracować. Do niedawna wielkim problemem było samo wykonanie takich filier, przewiercano je za pomocą proszku diamentowego nakładanego na koniec stalowej igły. Majstersztykiem było takie wiercenie otworów z dwu stron, aby dokładnie zetknęły się ze sobą. Obecnie wykonuje się to przy zastosowaniu wiązki promieni laserowych.

Około 80% wszystkich diamentów przemysłowych wykorzystuje się w stanie rozdrobnionym, w postaci proszków i past. Podczas rozdrabniania diamentu znacznie wzrasta sumaryczna powierzchnia jego ziarn, a tym samym jego własności skrawające i ścierające. W różnych dziedzinach stosuje się proszki o różnym uziarnieniu. Na jeden karat proszku diamentowego o uziarnieniu 500 mikrometrów przypada 1600 ziarn, zaś o uziarnieniu 1 mikrometra aż 150 miliardów ziarn. Proszki diamentowe stosuje się do cięcia skał w kamieniołomach i do cięcia kryształów półprzewodników. Proszki o najdrobniejszym uziarnieniu są stosowane do wyrobu pole- rowniczych past diamentowych. Obecnie podstawowa masa diamentowych proszków ściernych to diamenty syntetyczne - w tej dziedzinie wypierają one diamenty naturalne.

Badania wykazały, że wśród diamentów można wyróżnić kilka odmian, różnią się one m.in. zawartością domieszek innych pierwiastków, wśród których szczególną rolę odgrywają azot i bor. Azot - bliski sąsiad węgla w okresowym układzie pierwiastków jest domieszką najczęstszą, na 100 diamentów naturalnych aż 98 zawiera azot w ilości od 0,05 do 0,25%. Nieliczne diamenty bezazotowe mają najwyższe przewodnictwo cieplne, są one niezrównanym materiałem odprowadzającym ciepło w układach półprzewodnikowych. Domieszka boru powoduje natomiast, że sam diament nabiera własności półprzewodnikowych.

Diamenty są stosowane także jako dozymetry promieniowania, przejście przez ich sieć przestrzenną zjonizowanej cząstki powoduje rozbłysk, który może być zarejestrowany i wzmocniony przez fotopowielacz. Takie liczniki diamentowe (do tego celu nadają się jednak nie wszystkie diamenty) mogą być stosowane w medycynie wobec całkowitej obojętności chemicznej diamentu.

Diament jest całkowicie odporny na działanie kwasów i zasad (ulega tylko działaniu gorącej chro- mianki), a mimo to do obróbki diamentów może być stosowana metoda chemiczna. Istota jej polega na tym, że nikiel, kobalt i żelazo mają zdolność rozpuszczania w sobie węgla. Na podstawie tego zjawiska opracowano w Jakuckiej Filii AN ZSRR oryginalną metodę obróbki diamentu. Cienką płytkę żelazną umieszcza się na powierzchni diamentu i podgrzewa do około 1000°C w atmosferze wodoru. W tych warunkach węgiel diamentu rozpuszcza się w żelazie i dyfundując wędruje ku przeciwnej stronie płytki, gdzie opuszcza jej powierzchnię wiążąc się z wodorem w postaci metanu. Płytka zapada się w diament z prędkością około 1 mm/dobę. Jedynie taką metodą można wycinać w diamencie profilowane otwory - płytka działa jak mikrofrez lub mikrowiertło o dowolnym profilu. Termochemiczna metoda stanowi przełom w technice obróbki diamentów.

Niezwykłym własnościom diamentu towarzyszy niezwykłość jego pochodzenia. Przez długie wieki nie zdawano sobie zresztą z tego sprawy, gdyż znano tylko diamenty pochodzące ze złóż rozsypiskowych.

Aż do początków XVIII w. wszystkie diamenty pochodziły z Indii i w niewielkim stopniu z Borneo. Złoża te były już prawie wyczerpane, gdy w 1725 r. znaleziono diamenty w Brazylii, w okręgu Tejuco (obecnie Diamantina). Diamenty kojarzyły się jednak tak bardzo ze Wschodem, że wiadomość o znalezieniu ich w Brazylii przyjęto z niedowierzaniem, następnie zaś, aby utrzymać wysokie ceny, przewożono je do portugalskiej kolonii Goa w Indiach i dopiero stamtąd eksportowano do Europy. Fikcja nie mogła jednak trwać bez końca i po pewnym czasie pierwszym dostawcą diamentów stała się Brazylia. W 1844 r. znaleziono tam czarne, mikrokrystaliczne agregaty określane jako karbonado.

W 1851 r. znaleziono diamenty w Nowej Południowej Walii.

Największe odkrycie nastąpiło jednak w 1867 r. na obszarze dzisiejszej Republiki Południowej Afryki. Odkrycia tego dokonały dzieci burskiego farmera bawiące się kamieniami w wyschniętym korycie rzeki. Po pierwszym przypadkowym odkryciu przyszły następne. Były to jednak zawsze, podobnie jak w Indiach, na Borneo, w Brazylii i Australii, diamenty występujące w żwirach rzecznych lub w zlepieńcach. Pozostawało tajemnicą, skąd się do tych okruchowych utworów dostały.

W maju 1871 roku nastąpiło wydarzenie, które zmieniło poglądy na pochodzenie diamentów. W pobliżu farmy De Beers znaleziono diamenty nie związane ze żwirami rzecznymi. Nowe złoże nazwano Kimberley na cześć ówczesnego ministra kolonii. Eksploatacja tego złoża biła swoim rozmachem wszystkie dotychczasowe przedsięwzięcia górnicze. Na czele spółki De Beers, która z czasem przerodziła się w obecny koncern, stanął Cecil Rhodes, którego nazwisko nosiła później brytyjska kolonia Rodezja (obecnie Zimbabwe). W największym wyrobisku Kimberley, zwanym po prostu Wielką Dziurą osiągnięto głębokość 1200 m.

Nowe złoże różniło się od wszystkich eksploatowanych dotychczas. W górnej części złoża, blisko powierzchni ziemi, diamenty występowały w yellow groud  - „żółtej ziemi", o miąższości około 30 m. Niżej występowała blue ground - „ziemia niebieska", znacznie mniej zwietrzała od żółtej i ku dołowi przechodząca w skałę, jaka dotychas nigdzie nie była spotykana. Skała ta miała charakter brekcji, czyli ostrokrawędzistego zlepieńca, i najbardziej była zbliżona do skał wypełniających kominy wulkaniczne. Od miejsca występowania nazwano ją kimberlitem. Składa się z zasobnych w żelazo i magnez krzemianów - oliwinu i piroksenu, krwistoczerwonego granatu - piropu, magnezowej miki - flogogitu. Z diamentem współwystępuje coesyt, minerał o składzie takim samym jak pospolity kwarc, lecz o znacznie większej gęstości wskazującej na powstanie w warunkach wysokiego ciśnienia. Forma występowania tych skał również przypomina kominy wulkaniczne schodzące pionowo w dół, ich największe rozmiary poprzeczne dochodziły do 880 x 430 m. Zawartość diamentów w kominach kimberlitowych jest różna. Wiele kominów jest całkowicie płonnych. W kimberlitach produktywnych zawartość diamentów waha się w granicach od tysięcznych karata do kilku karatów na tonę. W kimberlitach Południowej Afryki przeciętnie występuje 0,5 karata na tonę. Oznacza to, że na 10 milionów ziarn mineralnych w skale tylko jedno z nich jest diamentem. Ale nawet przy tak wielkim rozproszeniu diamentów w masie skalnej ich eksploatacja jest opłacalna, a złoża te są uważane za bogate. Najłatwiejsze było wydobywanie diamentów z luźnej „żółtej ziemi". Niezwietrzały kimberlit występujący głębiej wymaga uprzedniego kruszenia.

Dawniej diamenty były wybierane ręcznie, obecnie są wybierane mechanicznie przez przylepianie do taśmociągów posmarowanych specjalnymi pastami.

Dokładność wybierania diamentów z urobku jest bardzo wysoka. Dzięki temu dokonano odkrycia, które rzuciło światło na pochodzenie diamentów w kimberlitach. W jednym z kominów znaleziono w urobku pochodzącym z różnych głębokości dwa rozłamane fragmenty ośmiościennego kryształu, pasujące dokładnie do siebie. Świadczy to, że diamenty nie powstały w kimberlicie, w którym obecnie występują. Wykrystalizowały gdzieś głęboko i zostały przyniesione przez kimberlit blisko powierzchni ziemskiej, zaś w czasie transportu zostały rozłamane i rozsunięte. Brekcja kimberlitowa nie jest skałą macierzystą diamentu, jest tylko jego przybraną matką. Obecnie sądzi się, że diamenty powstały na głębokości 100-200 km, a następnie wraz z fragmentami skały, w której wykrystalizowały, zostały „wstrzelone" z prędkością pocisku w górne partie skorupy ziemskiej, w trakcie tej wędrówki często ulegały spękaniu.

Krytyczny Czytelnik może tutaj jednak mieć wątpliwości. Wiadomo bowiem, że im głębiej, tym bardziej wzrasta zawartość pierwiastków ciężkich, zaś węgiel wchodzący w skład diamentu należy do pierwiastków najlżejszych, co więcej - w diamentach bardzo często występują domieszki innych lekkich pierwiastków - azotu i boru. Jak to jest możliwe?

Nie ma w tym jednak żadnej niedorzeczności. Diament jako minerał zrodził się w głębi Ziemi, lecz węgiel wchodzący w jego skład pochodzi z powierzchni. W czasie ruchów górotwórczych fragmenty dna oceanicznego pokrytego osadami węglanowymi zostały pogrążone pod nasuwającymi się krami kontynentalnymi i na głębokości kilkuset kilometrów uległy przetopieniu, w wyniku którego powstał stop magmowy zasobny w węgiel. Podczas stygnięcia stopu węgiel, który nie może wchodzić w skład minerałów krzemianowych, wykrystalizował w postaci diamentu.

Nie koniec jednak na tym. Niezwykły minerał -: diament może powstawać także na powierzchni naszej planety.

Przeszło sto lat temu, 10 września 1886 r., mieszkańcy wsi Nowyj Uriej w guberni penzeńskiej orali pole. Nagle oślepił ich błysk i z potwornym hukiem upadła obok nich wielka kula świetlna. Za chwilę druga kula ognista upadła na pobliski las. Przerażeni chłopi upadli na ziemię, a gdy minął najgorszy strach podeszli do miejsca upadku, leżał tam gorący jeszcze meteoryt. Największego okruchu, który wpadł w bagno, nie udało się odnaleźć, ale i tak znaleziono dwa fragmenty. Miejscowy nauczyciel przesłał jeden z meteorytów do zbadania w Petersburgu, drugi meteoryt natomiast zniknął. Jak się potem okazało, został on zjedzony przez mieszkańców wsi, którzy potraktowali go jako dar niebios, z całą pewnością obdarzony własnościami leczniczymi.

Badania mineralogiczne meteorytu (zachowanego do dziś w zbiorach Instytutu Górniczego w Sankt- Petersburgu) wykazały, że występuje w nim bardzo twardy minerał. Podejrzewano, że jest to korund (tlenek glinu), ale rzekomy korund okazał się odporny na stapianie z kwaśnym siarczanem potasu, jego gęstość była niższa od gęstości korundu, zaś jego drobne ziarnka rysowały z łatwością ściany kryształów korundu. Był to więc niewiątpliwie diament typu karbonado.

Występowanie diamentu w meteorytach (gdyż potem znaleziono go także w innych) było zachętą do poszukiwania go także w meteorytowym kraterze Canon Diablo w Arizonie, nazywanym także Barringer Crater. Przedsiębiorczy inżynier Barringer zorganizował bowiem spółkę akcyjną, która miała na celu eksploatację meteorytowego żelaza, a liczyła także na obecność platyny i diamentów. Znaleziono ich jednak niewiele, a towarzystwo akcyjne wkrótce się rozpadło. W meteorytach z Canon Diablo diamenty występują tylko w tych okazach, które znaleziono na wale okalającym krater, a więc tam, gdzie w chwili uderzenia ciśnienie wynosiło około milion atmosfer. Z diamentem współwystępował tam wspomniany już coesyt oraz stiszowit - inna polimorficzna odmiana krzemionki SiO₂ o jeszcze większej gęstości (4,28 g/cm3 wobec 3,01 coesytu i 2,65 kwarcu). I te minerały świadczą więc o bardzo wysokim ciśnieniu w chwili ich powstania. Była to dosłownie chwila, gdyż ocenia się, że tak wysokie ciśnienie panowało w milionowym ułamku sekundy.

W 1970 r. geolodzy radziecy znaleźli diamenty w jednym z gigantycznych kraterów meteorytowych, czyli tak zwanych astroblemów. Jednym z takich astroblemów jest wspomniany już krater w Arizonie, jest to jednak astroblem niewielki. Jego średnica wynosi tylko 1800 m, podczas gdy największe zidentyfikowane do tej pory astroblemy mają średnicę 70 km. Diamenty znalezione wokół astroblemów i w ich podłożu były ostrokrawędzistymi, polikrystalicznymi ziarnami półprzezroczystymi i nieprzezroczystymi, o barwie żółtawej, szarej i czarnej. Wielkość ich dochodziła do 0,4 mm, przypominają one wyglądem diamenty syntetyczne uzyskiwane w wysokich ciśnieniach i temperaturach. Diamenty te uznano za produkt metamorfizmu uderzeniowego związanego z upadkiem meteorytu. Diamentonośne skały powstałe w wyniku takiego metamorfizmu sięgają na głębokość kilku kilometrów poniżej czaszy astroblemu. Niektóre z nich mogą mieć znaczenie złożowe. Znaleziono także rozsypiskowe koncentracje takich diamentów.

Głównym źródłem diamentów są jednak oczywiście złoża pochodzenia ziemskiego. Przez długie lata głównym światowym dostawcą diamentów była Południowa Afryka. W1910 r. znaleziono rozsypiskowe złoża diamentów (głównie przemysłowych) w Kongo Belgijskim oraz na obszarze dzisiejszej Tanzanii. W 1919 r. znaleziono diamenty w Ghanie, a w 1930 r. w Sierra Leone (gdzie w 1972 r. znaleziono trzeci co do wielkości ze znalezionych dotychczas diamentów - „Gwiazdę Sierra Leone" o masie 968,9 karata). Wielkie pierwotne złoża diamentów znaleziono także w kimberlitowych kominach Botswany sąsiadujących z RPA.

Liczne próby eksploatacji diamentów w stanie Arkansas w USA zakończyły się niepowodzeniem. Porzucone wyrobiska stały się tylko atrakcją turystyczną. Tym większe było szczęście pewnej turystki, która na powierzchni gruntu znalazła wielki diament - „Gwiazdę Arkansas".

Sukcesem zakończyły się natomiast poszukiwania diamentów na Syberii. Droga do Syberii wiedzie przez Ural, tam też znaleziono w 1829 r. pierwszy rosyjski diament. Do Rewolucji znaleziono ich około 250, a podczas II Wojny Światowej podjęto eksploatację ubogich rozsypiskowych złóż diamentów przemysłowych na zachodnich zboczach Uralu.

Wielkie złoża diamentów na Syberii odkryto dopiero po wojnie. Do odkrycia tego zbliżano się etapami. Pod koniec lat trzydziestych geolodzy doszli do wniosku, że budowa geologiczna obszaru między Jenisejem a Leną jest podobna do budowy Południowej Afryki. Przypomniano sobie wówczas, że w 1898 r. w obszarze tym znaleziono dwa małe diamenty. Ekspedycja poszukiwawcza miała wyruszyć w 1941 r., ale przeszkodziła jej wojna. Po jej zakończeniu objęto badaniami obszar dorzecza Dolnej Tunguzki i Wiluja. Gdy oprócz licznych diamentów tkwiących luźno w żwirach rzecznych znaleziono także diament wrośnięty w otoczak skały, stało się jasne, że złoże pierwotne jest gdzieś niedaleko. Kominy kimberlitowe odkryto jednak dopiero po kilku latach. Minerałem przewodnim w tych poszukiwaniach był nie sam diament lecz krwistoczerwony granat - pirop, taki sam, jaki występuje w kimberlitach Południowej Afryki. Diamentonośny komin kimberlitowy odkryto w 1955 r. Zgodnie z nakazami panującej wówczas tajności odkrywcy zawiadomili kierownictwo ekspedycji szyfrem: „zapaliliśmy fajkę pokoju" - tytoń doskonały. Obecnie Jakucja jest jednym z głównych diamentonośnych obszarów świata. Udział diamentów jubilerskich w ogólnym wydobyciu nie jest duży, a największy ze znalezionych dotychczas diamentów mieści się w czwartej dziesiątce na światowej liście wielkich diamentów.

Czasem życie przynosi coś, czego człowiek z pewnością nigdy by nie wymyślił. Odkryte przeszło sto lat temu złoża diamentów w Południowej Afryce występują w pobliżu miasta Kimberley, które dało swą nazwę diamentonośnym skałom. Na mapach jest jednak jeszcze inne Kimberley - niewysokie pasmo górskie w północno-zachodniej Australii. I tutaj właśnie, na obszarze dziwnym zbiegiem okoliczności noszącym taką samą nazwę, odkryto w 1978 r. wielki komin kimberlitowy i liczne złoża rozsypiskowe. Roczna produkcja uruchomionej w 1985 r. kopalni Argyl wynosi 34 miliony karatów - jest to przeszło jedna trzecia światowej produkcji. Udział diamentów jubilerskich jest niewielki - około 5%, lecz zdarzają się wśród nich diamenty różowe, uzyskujące cenę wielokrotnie wyższą od bezbarwnych.

Diament - minerał zaskakujący różnorodnością swoich cech, może być darem głębokiego wnętrza Ziemi oraz zachodzących na jej powierzchni katastrof kosmicznych. W ostatnich dziesięcioleciach jest on także w coraz większym stopniu wynikiem działalności ludzkiej. Próby syntezy diamentu były prowadzone od stu lat. Wcześniejsze rzekomo udane wyniki zostały później zakwestionowane. Na skalę przemysłową udało się wytworzyć diamenty w 1953 r. grupie szwedzkich inżynierów, wkrótce potem uzyskano je w jednym z laboratoriów amerykańskiego koncernu General Electric. Syntezę diamentów prowadzi się w temperaturze około 3000°C pod ciśnieniem 100 000 atmosfer (uzyskanie takich ciśnień stało się możliwe dzięki zastosowaniu komór ze stopionych węglików boru). W ostatnich latach prowadzone są badania nad syntezą diamentu w niższych ciśnieniach oraz nad wzrostem kryształów diamentu na zarodkach diamentowych. Produkcja przemysłowa diamentów syntetycznych jest już prawie równa wydobyciu diamentów naturalnych, a opanowanie wytwarzania diamentów jubilerskich jest tylko sprawą czasu. □

Autor: Hubert Sylwestrzak

Linki dotyczące autora:
Większość książek i publikacji autora artykułu


Literatura uzupełniająca:
Książka "diament minerał niezwykły" w google books

Multimedia:
Cztery etapy powstawania brylantów od wydobycia do pracy jubilerskiej
Niemal niewolniczy proces wydobycia diamentów w Sierra Leone  
Spory o diamenty doprowadziły do wojny domowej w zachodniej Afryce

Zachęcamy do dyskusji na temat podanych w artykule treści
oraz wklejania linków do materiałów multimedialnych.

Redakcja.