После войны, уже в Москве, в Институте химической физики, Юрий Николаевич Рябинин продолжал работы по адиабатическому сжатию газов, начатые еще в 30-е годы в Ленинградском физтехе.
На созданной в институте установке удавалось подучать разы с плотностью единица, при этом газ превращался в твердое тело: давал сплошной, а не линейчатый спектр, электропроводность у него становилась того же типа, как у твердых тел.
И еще Рябинин занимался изученном взрывов.
Какая связь была между всеми этими опытами и исследованиями низкой температуры? И в том, и в другом случае речь шла о сжатии вещества, о сближении его атомов друг с другом — только достигалось это сжатие разными средствами.
В 1953 г. Рябинин перешел к Верещагину в Лабораторию физики высоких давлений. Сжимаемость твердых тел, полиморфизм, фазовые переходы, пластичность, прочность — всем этим занимались они с Верещагиным на установке, фотографию которой напечатал тогда «Огонек».
В 1954 г. Ю. Н. Рябинин попробовал изготовить искусственные алмазы. Никто ему этой работы не поручал, ни в каких планах и заданиях она не значилась. Делал он ее даже не в помещении Лаборатории физики высоких давлений, а в Институте химической физики, где его по старой памяти принимали.
На установке адиабатического сжатия вывести углерод в область стабильности алмаза было невозможно. Не хватало давления: оно не превышало 10 000 атм.
Вот если бы подвергнуть графит сжатию до сотни — другой тысяч атмосфер! Но как? Может быть, с помощью взрывчатки?
Рябинин решил попробовать. Он сконструировал довольно простое устройство, главной частью которого был толстостенный стальной цилиндр. Внутрь цилиндра закладывался цилиндрик графита, а между графитом и стальными стенками размещалась взрывчатка. Взрыв сжимал графит со всех сторон одновременно, и он не успевал разлететься.
Устройство работало безотказно. Температура внутри стального цилиндра доходила до 2500°, давление — до 300 000 атм. Предусмотренные диаграммой Лейпунского параметры для зоны стабильности алмаза были достигнуты безусловно.
Каждый образец материала после взрыва Рябинин посылал на рентген. И каждый раз рентгенограммы упрямо свидетельствовали: графит, графит, графит…
Почему же не алмаз?
Десятки, сотни безрезультатных опытов заставили Рябинина прекратить эту работу. Он решил, что во всем виновата кратковременность взрыва — очевидно, графитовые ячейки не успевают перестроиться в алмазные.
Наверное, Рябинин тогда заблуждался.
Судя по работам последующих лет, алмазные кристаллики должны были у него цолучаться. Но чтобы обнаружить их в массе графита, надо было растворять графит в царской водке, иначе он давал на рентгене такой фон, что немногочисленные и мельчайшие крупицы алмаза заметить было невозможно.
Впоследствии, через несколько лет после того, как алмазы были получены из графита, подвергнутого статическому давлению, их удалось синтезировать и с помощью динамического сжатия взрывом. Тогда растворение материала, полученного в камерах высокого давления, было уже обычным процессом, без которого никто и не мыслил себе получение искусственных алмазов. А главное, сама возможность синтеза алмаза в обозначенной Лейпунским зоне стабильности, достигнутой и Рябининым, стала уже несомненной. Результаты же его опытов по динамическому сжатию графита были общеизвестными — Рябинин опубликовал их в Докладах Академии наук в 1956 г.
Но когда Лаборатория физики высоких давлений взялась за синтез алмаза, Рябинин и его товарищи по лаборатории все еще были уверены, что динамический путь закрыт из-за недостаточного срока воздействия взрыва на графит. И что единственный имеющийся путь — статическое давление.
В 1958 г. научное учреждение Верещагина, преобразованное в Институт физики высоких давлений, уже вело исследования по синтезу алмазов в трех лабораториях. Одну возглавлял Леонид Федорович Верещагин, другую — Юрий Николаевич Рябинин, третью — Василий Андреевич Галактионов. С ними работали физики Архипов (теоретик), Слесарев, Лифшиц, инженеры Семирчан, Демяшкевич, Попов, Иванов.
Три лаборатории вели работу параллельно, а чтобы ни у кого не заводилось «маленьких секретов», с самого начала существовала договоренность: кто бы ни синтезировал первый алмаз, авторами открытия будут считаться все участники работы.
Забегая вперед, скажем, что на сей раз «решающая минута» или хотя бы «решающий час» не зафиксированы. И кто на самом деле синтезировал первый алмаз — остается неизвестным.
Итак, три лаборатории вели работу параллельно — то есть каждая создавала собственную установку и на ней пыталась синтезировать алмаз. Каждую неделю собирались все вместе и обменивались опытом.
У Галактионова усилие в камере с графитом передавалось, как и у Холла в США, тетраэдрическим, а потом кубическим устройством. Иными словами, камеру сжимали с трех и с четырех сторон.
Рябинин и Верещагин использовали более простое устройство, его макет и сейчас можно видеть на институтской выставке. Такой же, как на фотографии в «Огоньке», 500-тонный пресс, чуть меньше человеческого роста. Выдвигающийся снизу толстый цилиндрический поршень упирается в свинченные вместе два низких цилиндра большего диаметра, в зазор между которыми подведен электропровод. Эти два низких цилиндра и есть самое главное место установки, самая главная ее часть — камера высокого давления.
У нее простая функция: она должна передать графиту от поршня нужное давление (100000 атм), от трансформатора — нужный ток (для нагрева до 2000°) и удержать расплавленное и сжатое огромной силой вещество.
Два, на первый взгляд, взаимоисключающих условия: передать давление и температуру — и удержать расплав.
Под действием чрезвычайно высоких температур и давлений вещества ведут себя очень и очень по-разному. Например, с увеличением нагрузки металлы изменяют свою кристаллическую структуру, а вместе с тем и электропроводность. Значит, изменение электропроводности может служить сигналом о величине давления в камере, и на этой основе была разработана «реперная» система измерения давлений в камерах.
А есть минералы, которые при увеличении нагрузки сначала начинают течь, как жидкость, но при дальнейшем росте давления течь перестают и наглухо запирают все отверстия. Один из таких минералов — пирофиллит — использовал для уплотнений еще Бриджмен. Но Верещагину и его коллегам нужны были сотни килограммов таких минералов. Кто-то сообразил: годится так называемый литографский камень, его пришлось позаимствовать в московских типографиях — на первый случай хватило. Потом, спасибо, подсказали геологи: месторождение нужного минерала, «алагезского камня», есть в Грузии.
Таких проблем, подпроблем — и так далее, и так далее — оказалось великое множество. И без решения каждой из них синтезировать алмаз было нельзя.
А главной проблемой была конструкция самой камеры сжатия и мультипликатора — устройства, передающего давление. Эту проблему сумел красиво и «просто» решить Леонид Федорович Верещагин. Он подметил некое изменение формы подвергаемого давлению металла, словно сама природа подсказывала наиболее выгодную форму камеры. Эта подсказка была им понята. И сконструированное Верещагиным устройство надежно передавало веществу высокое давление и высокую температуру и надежно удерживало содержимое от разлета.
Приступая к работе, Верещагин, Рябинин и их коллеги считали, что именно эту задачу они и должны решить: научиться выводить углеродистое вещество в зону стабильности алмаза и там держать его несколько секунд или минут. О том, что именно нужно калить и сдавливать, они сперва не слишком задумывались.
Между тем попытки превратить в алмаз один графит, без добавления других веществ, в которых графит растворяется, до поры до времени к успеху не приводили. (Вспомним: Лейпунский предусматривал необходимость применения металлов-растворителей для смягчения режима и ускорения процесса перехода графита в алмаз.) Впоследствии было обнаружено, что далеко не всякий металл, хорошо растворяющий углерод, годится для этой цели. Свинец, например, не годится. Следовательно, металл действует не только как растворитель, но и как катализатор. Однако это теоретическое уточнение было внесено уже после того, как алмазы были синтезированы с помощью того самого металла, которым пользовался еще Муассан, — железа.
Графит и железо (или кобальт) помещали в «алагезский камень», камень — в камеру, камеру — в пресс. Включали гидравлический насос пресса. Подавали ток на камеру. Проходили секунды или минуты. Пресс выключали. Камеру остужали. Затем вскрывали. Шлаковидное вещество иногда рассматривали в лупу, иногда сразу же отправляли в рентгеновскую лабораторию — делать дебаеграмму.
По внешнему виду дебаевской рентгенограммы нельзя утверждать, что получен алмаз; можно только сказать, что это не графит, а какая-то кубическая решетка. Но какая? Может быть, на рентгенограмме карбиды металла-растворителя или вольфрама (камера сделана из карбида вольфрама). Чтобы прояснить этот вопрос, нужны расчеты.
Когда аппаратура уже вышла примерно на те параметры, которые должны обеспечивать синтез алмаза, дежурные вдруг стали замечать, что установка «барахлит»: через некоторое время после ее пуска в электрической сети вдруг падало напряжение. Поиски неисправностей ни к чему не приводили. Прошло довольно много времени, пока догадались: напряжение в сети падало тогда, когда резко увеличивалось сопротивление в камере, а увеличивалось оно потому, что графит превращался в алмаз!
Ложных тревог и ложных надежд было немало, пока, наконец, дебаеграммы стали устойчиво показывать нечто алмазоподобное, а извлеченные из камер темные крупицы стали устойчиво царапать стекло.
Более осторожный Юрий Николаевич Рябинин все еще склонялся к тому, что это карбиды. Но Леонид Федорович Верещагин уверенно сказал: алмазы! Из царапающей стекло массы сделали гравировальные карандаши. Один такой карандаш преподнесли приехавшему в институт Льву Андреевичу Арцимовичу, другой — Петру Леонидовичу Капице.