Синтетические драгоценные камни

Можно предположить, что слово «синтетический» у читателя автоматически вызовет легкую неприязнь. Не лучше него и слово «искусственный» — оно тоже вызывает ассоциации с чем-то дешевым, худшим по качеству, чем то натуральное, заменой чего стал искусственный аналог.

Давайте разберемся, насколько наше предубеждение верно в отношении драгоценных камней.

Добыча самоцветов всегда сопряжена с большим трудом и затратами. Поэтому, как только у человека появились первые возможности для их искусственного создания, процесс пошел. Но натуральные камни могли обесцениться. И тогда ювелиры (люди небедные) вложились в создание лабораторий при главных научно-исследовательских центрах, в задачу которых входило изучение различий между натуральными и искусственными камнями. Рынок натурального камня был спасен. По сей день стоимость натуральных и искусственных камней различается весьма существенно.

Как синтезируется драгоценный камень

Основными способами синтеза являются те же самые «технологии», с помощью которых камни создает сама природа: из расплава или из раствора.

Высокая температура с неизбежность расплавит большую часть материала, из которого состоит драгоценный камень. Классическим методом плавления считается метод Вернейля — плавление в пламени.

При кристаллизации расплава с целью получения ювелирных камней нужно, чтобы они росли одиночными кристаллами, а не поликристаллическими агрегатами. Для этого нужно очень тонко управлять температурой вдоль длинного узкого тигля, либо можно воспользоваться методом Чохральского, когда кристаллы буквально вытягивают из расплава.

Растворение — тоже годный способ для выращивания синтетических камней. Причем растворителем может быть не только вода (холодная, горячая, насыщенная газами или кислотами), но и расплав другой горной породы!

Происходит такое растворение не в обычных условиях, а при высокой температуре или давлении, либо под действием совокупности этих факторов.

В случае гидротермального синтеза раствор нужных минералов кристаллизуется в автоклаве при умеренной температуре, однако давление может быть и высоким.

Если же используются методы плавления с добавлением флюса, то к сырью добавляют тугоплавкие растворители.

С какими сложностями сталкиваются при создании синтетического драгоценного камня

Чем проще состав вещества, тем проще будет его получить. А вот если состав сложный, то малейшее отклонение от определенных условий может привести к тому, что составные части распадутся на отдельные фракции, а изменение пропорций составляющих приведет к тому, что образуются незапланированные минералы!

Самыми простыми по составу драгоценными камнями являются:

• Алмаз (чистый углерод);
• Корунд (окись алюминия);
• Шпинель (окись магния и алюминия).

Синтетический алмаз

Первые опыты по синтезу алмаза начались еще в 19 веке, но успех в создании первых (весьма мелких) алмазов был достигнут только в середине прошлого века.

Есть основания считать, что первый удачный синтез был проведен в Швеции, где 15 февраля 1953 года, через 23 года после начала исследований, были получены первые 40 кристаллов искусственного алмаза.

Удачно, что алмаз является аллотропной разновидностью кристаллического углерода, а другая его разновидность — графит — широко распространена в природе. И с того момента, как ученые смогли воспроизвести природные условия образования алмаза (который, как известно, формируется на большой глубине, где действуют высокие температуры и давление), человечество получило источник столь востребованных алмазов.

Но так как технологии искусственного выращивания алмазов долгое время позволяли синтезировать только мелкие кристаллы, не имеющие ювелирной ценности, продукция подобного рода находила основное применение в промышленности, где алмазы востребованы в качестве режущего, шлифовального инструмента, а также как часть производства, к примеру, наиболее тонкой проволоки.

В наши дни искусственные алмазы значительно дешевле натуральных, а с некоторых пор стало возможно синтезировать кристаллы, годные для ювелирных украшений. И вот уже более 50% обручальных колец в США содержат лабораторные алмазы.

Меняются и сами технологии — сегодня для синтеза уже не требуется высокое давление. Это обстоятельство существенно сказалось на снижении себестоимости. Китай лидирует в производстве искусственных камней, оптовая цена за карат для синтетического алмаза фиксировалась на уровне 15 долларов!

Синтетические алмазы активно используются в электронике и квантовых технологиях — не так давно мир облетела новость о том, что китайские ученые создали перспективную концепцию квантовой батареи, которая способна сохранять накопленную энергию гораздо дольше, чем все предыдущие.

Синтетические корунды: рубин и сапфир

Оба эти камня являются по-разному окрашенными разновидностями одного минерала — корунда.

Успех в синтезе сначала рубина был достигнут еще в далеком 1904 году благодаря изобретению Вернейлем особой печи, которая чем-то напоминала перевернутую паяльную лампу.

Для выращивания кристалла рубина использовался специально очищенный от примесей порошок глинозема, который смешивали с 2,5% окиси хрома для придания цвета.

Порошок порционно попадал в пламя, где плавился, образуя каплю. Эта капля падала на подставку, которая также была изготовлена из глинозема. Подставка очень медленно опускалась по мере роста кристалла, а сам он по форме напоминал перевернутую грушу, которая тонким концом соединялась с подставкой. Кристаллу позволяли расти до нужного размера, после чего горелка отключалась, а еще через 10 минут можно было открыть камеру и достать остывший кристалл.

Печь Вернейля была настолько проста и остроумна, что ее практически в неизменном виде использовали в промышленном производстве. На получение кристалла весом в 2 грамма требовался всего час!

Эксперименты с количеством окиси хрома дали прекрасные результаты — розовые рубины, которые были очень похожи на природные огненные топазы. Из-за этого им даже дали неправильное название «научные топазы», которое в дальнейшем не прижилось.

Искусственные рубины были востребованы не только в ювелирном, но и в часовом производстве. Но если с их выращиванием проблем не было с самого начала, то до промышленного производства сапфира потребовалось гораздо больше времени. Только в 1947 году американская компания впервые смогла поставить на конвейер выращивание искусственных сапфиров методом Вернейля.

И сам этот метод оставался неизменным долгое время. Но ученые продолжали разрабатывать альтернативные способы, в результате чего появился метод Чохральского — в нем также используется расплав, но для роста кристалла используется затравка. Также был изобретен и успешно использовался гидротермальный метод — в автоклаве из раствора, и метод «плавающей зоны», который позволял вырастить особо чистые кристаллы без тигля.

Причиной, по которой сапфир так долго не давался искусственному выращиванию, поначалу стали проблемы с окрашиванием: окись кобальта давала пятнистую окраску, и только применение вместо нее окиси титана и магнетита изменило ситуацию. Но, когда ученые уже праздновали победу, выяснилось, что выращенные ими кристаллы по своей кристаллической структуре соответствуют не корунду, а… шпинели. Что тоже неплохо, но задачу не решает.

Вообще, экспериментов с цветом было множество. В частности, добавление окиси никеля придавало искусственным камня желтый цвет, а отсутствие добавок позволяло получать бесцветные камни, которые пытались даже выдавать за… искусственные алмазы, к которым они, разумеется, никакого отношения не имели. Большой интерес вызвали камни, выращенные с добавление окиси ванадия — в естественном свете они выглядели красновато-зелеными, а в искусственном становились красными, что роднило их с александритом. Зеленые оттенки получались при помощи окисей кобальта, магния, цинка и ванадия. Фисташково-зеленый получался с добавкой окисей никеля, железа и титана. Окиси хрома, железа и титана придавали кристаллам красивый фиолетовый цвет.

Отличить искусственный корунд от натурального оказалось достаточно просто: в теле кристалла обнаруживались пузырьки воздуха. И хотя это свойственно и натуральным камням, форма таких пузырьков в природном камне не бывает сферической.

Еще один важный диагностический признак связан с тем, что неоднородность нарастания кристалла приводит к образованию поперечных изогнутых бороздок. Это скорлупки остывающего расплава, успевающие появиться перед падением новой капли. А так как красящее вещество неоднородно распределено в порошке, то бороздки оказываются чуточку по-разному окрашены. В природном камне подобное тоже встречается, но там полоски никогда не бывают изогнутыми.

Синтетическая шпинель

Выше уже была рассказана история непредвиденного синтеза шпинели вместо сапфира. После этого была проведена немалая работа по внесению разнообразия в получаемые оттенки, и голубые получались очень хорошо, равно как и зеленоватые, а вот красная шпинель потребовала больше времени на подбор образующих ее добавок.

Кстати, бесцветные кристаллы шпинели имели большой успех, они оказались настолько красивы, что стали обладать самостоятельной ценностью.

Главным отличием не красной синтетической шпинели является удельный вес и коэффициент преломления, которые выше, чем у природного камня. А вот красная практически совпадает со своим прототипом по этим параметрам.

Выращивают и темно-синюю шпинель, которая очень похожа цветом на лазурит. Для придания еще большего сходства в нее добавляют частички золота или пирита.

Использование в качестве флюса фтористого свинца в разных пропорциях позволило получить шпинели голубого, зеленого, желтого и красного цвета.

***

Пора подвести итоги. Да, в наше время технологии позволяют получать все более совершенные кристаллы, однако полностью неотличимыми от натуральных камней их так и не сделали. И пока эта разница существует, будет и ценовая разница. Но мы хотели понять, хуже ли синтетические камни натуральных?

Химический состав у них практически одинаковый, даже способ получения близок к природному процессу. Следовательно, мы руководствуемся не фактами, а предубеждением. Кстати, в наши дни происходит смена идеологии — искусственные камни начинают считаться более экологичными, а не только более дешевыми, так что скоро, вероятно, вопрос снимется сам собой.

Автор: Кузьмина Ольга.

Если наш сайт был вам полезен - пожалуйста оставьте отзыв. Большое спасибо!