Синтетические ювелирные камни разной природы

Синтетические ювелирные камни разной природы. В наше время синтезируется в лабораториях мира довольно большое количество ювелирных камней, и кроме ювелирных разновидностей корунда. Например в наше время получают синтетические шпинель, кварц, янтарь и другие камни. 3.1. Синтетическая шпинель. Синтезируется этот красивый драгоценный камень способом М.А. Вернейля, практически так же, как и корунды. Для изготовления шпинели используют смесь окисей алюминия и магния, получаемые соответственно из аммоний-алюминиевых квасцов и сульфата магния.

Форма выращиваемых кристаллов – параллелепипед с квадратным сечением. Шпинель применяется в основном в ювелирных изделиях (рис. 2). В связи с этим в состав смеси вводят различные окрашивающие примеси металлов, в том числе трехвалентный хром, который придает камням красный или сочный густой зеленый цвет. Зеленую шпинель ювелиры на¬зывают бразильским турмалином, также иногда называют голубовато-зеленую шпинель, очень похожую на аквамарин.

Рис. 2. Вставки из синтетической шпинели 3.2. Синтетический берилл (изумруд) В середине прошлого века при нагревании порошка природного изумруда в боросиликатном расплаве получили несколько кристаллов изумруда призматической формы. Дальнейшие работы в области синтеза изумруда связаны с исследованием метода кристаллизации из расплавов компонен¬тов, составляющих изумруд, с применением различных флюсов – окисей лития, молибдена и др. До 50-х гг. XX в. синтез изумрудов исследовался в лабораторных условиях.

Первый коммерческий изумруд был изготов¬лен К.Ф. Чатэмом (США), а позже П. Жильсоном (Франция). В настоящее время известен ряд промышленных методов выращивания синтетических изумрудов, применяемых в СССР, США, Японии, Фран¬ции, ФРГ и других странах. Известны синтетические изумруды типа – "Эмерита" или "Симеральд", изготовляемые в Австрии. Они представляют собой ограненные вставки из светлого берилла, на которые наращен слой синте¬тического изумруда толщиной 0,3 мм. Цвет их бледно-зеленый.

Фирмы "Чатэм" (США) и "Жильсон" (Франция) выпускают синтетические изумруды типа "Эмеральз", выращенные из раствора в расплаве с флю¬сом на затравку из пластин берилла. В качестве флюса применяют окиси лития и вольфрама или окиси лития и молибдена. Процесс синтеза проте¬кает очень медленно – в течение месяца наращивается слой толщиной в 1 мм. Рис.3. Схема установки для выращивания изумру¬дов: 1 – растворитель; 2 – ци¬линдрический платиновый стакан; 3 – смесь из двух компонентов; 4 – затра¬вочное устройство; 5 – платиновая отбойная пла¬стина; 6 – третий компо¬нент; 7 – платиновый ти¬гель. В последние годы получил развитие гид¬ротермальный метод синтеза изумрудов, при котором рост кристалла изумруда осуществ¬ляется также на затравку из природного бе¬рилла при температуре 500 – 600 °С, давлении 70 – 140 МПа с заполнением автоклава распла¬вом на 2/3 объема.

Скорость роста кристал¬лов 0,8 мм/сутки.

Этим методом выращивают¬ся изумруды фирмой "Линда" (США). Более точная технология и условия синтеза изумру¬дов фирмой не публикуются и считаются коммерческой тайной фирмы. Интересен метод синтеза изумруда, разра¬ботанный японскими исследователями Хиронаса и Сэйдзо. Установка представляет собой платиновый тигель с горизонтальной платино¬вой отбойной перегородкой. Нижняя часть тигля разделена цилиндрической платиновой стенкой (рис. 3). Смесь из любых двух ком¬понентов (SiO2, A12O3, ВеО2) помещают в кольцевое пространство, третий компонент – в центральную часть.

В верхней части отбой¬ной перегородки размещают затравочные кристаллы. Затем в реактор вво¬дят растворитель из молибдата лития или пятиокиси ванадия и всю систе¬му равномерно нагревают до температуры выше точки плавления каждого из компонентов смеси. Когда температура каждой из изолированных ком¬понентов смеси становится выше точки плавления растворителя, начинает¬ся плавление. В результате диффузии компоненты поднимаются к затра¬вочным кристаллам, проходят через отбойную перегородку и смешивают¬ся в верхней части. После этого начинается процесс роста изумрудов на затравках.

Далее расплав выдерживают при постоянной температуре в течение определенного времени, затем медленно охлаждают, массу извлекают из тигля и растворяют в воде, где в качестве растворителя применяют молиб¬ден лития, или в соляной кислоте, если растворителем служит пятиокись ванадия. В результате получают прозрачные бесцветные кристаллы, не отличающиеся по физическим, химическим свойствам от природного изумруда.

Красивый зеленый цвет достигают добавлением небольшого количества в раствор окиси хрома. Японская фирма «Киоте Керамик и К°» этим методом изготавливает около 300 карат в год синтетических изум¬рудов. Успешно выращиваются изумруды в СССР, этим занимаются научные лаборатории Новосибирского университета. 3.3. Синтетический кварц В настоящее время кварц выращивают гидротермальным способом в стальных автоклавах. Растворителем сырья природного кварца служат растворы гидроокисей и карбонатов щелочных металлов – натрия или калия в концентрации от 3 до 15%. Синтез проводят при давлении 50 – 150 МПа при температуре 250 – 450 °С. Для затравки используют пластины или стержни природного кварца, которые ориентируют параллельно кри¬сталлографическим плоскостям (0001) и (1120). Скорость роста кристал¬лов – до 0,5 мм/сутки.

Было установлено, что если в калиевые расплавы ис¬ходного раствора с низкой концентрацией калия добавить железо, то об¬разуются бурые кристаллы, при более высокой концентрации калия – зеленые.

При синтезе кварца в системе Н2О – SiO2 – К2О – СО2 с добавкой окислителей при давлении 150 МПа зеленая и бурая окраска изменяется на золотисто-желтую-цитриновую. Появление такой окраски за¬висит от концентрации ионов трехвалентного железа в растворе. При даль¬нейшем увеличении концентрации железа кристаллы становятся оранжево-красными. Синюю окраску кристаллов получают, вводя в систему Н2О – SiO2 – Na2O – CO2 кобальта.

Густота окраски зависит от содержания кобальта: в голубых кристаллах его до 0,001 %, а в ярко-синих до 0,02 %. Аметистовую окраску получают при выращивании кристаллов в калиевой системе при температуре 320 –420 ºС и давлении – 1000 – 1400 • 105 Па. Если в систему Н2О – SiO2 – К2О – СО2 ввести избыточное количество трехвалентного железа и снизить содержание примеси алюми¬ния, то кристалл становится дымчатым.

После ионизирующего облучения цвет кристаллов становится прочным аметистовым. Введенный в систему алюминий частично замещает кремний, в результате после ионизирующего облучения кристалл кварца приобретает дымчатую окраску, типичную для раухтопаза. При увеличении концентрации алюминия можно получить черную окраску, подобную цвету мориона. Цветной синтетический кварц широко применяется в ювелирной промышленности, а бесцветные от разности в технике: радиоэлектронике, оптике, химической промышленности.

В СССР налажено промышленное производство синтетического кварца. 3.4. Синтетический рутил Присутствием примесей в природных кристаллах рутила объ¬ясняется его темный цвет. В результате проведенных исследований в фир¬мах "Линда" и "Националь Лед и К0" (США) в 1948 году разработали способ выращивания синтетического рутила по методу М. А. Вернейля. Получают кристаллы черного цвета, но после отжига в струе кислорода при низкой температуре они становятся почти бесцветными или приобретают желтова¬тый оттенок.

Синтетический рутил используется в ювелирных изделиях только как заменитель алмаза, поскольку его показатель преломления и дисперсия значительно выше, чем у алмаза. Игра света у этого камня также очень сильная, что позволяет его легко отличить от бриллианта. 3.5. Титанат стронция (фабулит) По сравнению с рутилом этот синтетический камень более подходит для замены алмаза в ювелирных изделиях. Он совершенно бесцветен, оптически изотропен, и его показатель преломления (2,41) аналогичен алмазу.

Дисперсия у фабулита (0,1 – 0,2) более высокая, что обеспечивает кра¬сивую игру при изменении углов падения лучей света или освещения. Твердость фабулита 5,5 – 6,5, поэтому его целесообразно использовать для изготовления серег или кулонов, а не в кольцах, где он быстрее изотрется. Синтез титаната стронция осуществляется по известному методу М. А. Вернейля. После выращивания кристаллы обязательно отжигают в струе кислорода при низкой температуре. За рубежом промышленный выпуск фабу¬лита осуществляет фирма " Националь Лед и К°" (США). В СССР фабулит не выпускается. 3.6. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) Иттрий-алюминиевая окись (Y3A15O12) имеет структуру граната и чаще называется иттрий-алюминиевый гранат – ИАГ или гранатит.

Выращивает¬ся ИАГ чаще всего по методу Чохральского, однако хорошие результаты дает и метод кристаллизации из расплава с флюсом. Условия синтеза ИАГа весьма подобны условиям выращивания корунда. Вначале иттрий-алюминиевый гранат применялся только в технике; добавляя некоторые лантаноиды (в частности, неодим), выращивали кристаллы, используемые в лазерной технике: кроме того, кристаллы ИАГ служат подложкой при синтезе ферримагнитных гранатов, применяемых в лазерной технике и радиоэлектронике.

В последние годы ИАГ широко применяют в ювелирных изделиях. Благодаря добавкам лантаноидов стало возможно получать кристаллы разного цвета – красные, зеленые, желтые, коричневые и др не встречающиеся в природе. За рубежом ИАГ выпускает ряд фирм, наибольшую по¬пулярность имеют гранаты фирмы "Линда" (США). В СССР ИАГ изготавливают по методу направленной кристаллизации, позволяющему выращивать идеально правильные и чистые кристаллы.

Искусственный гранат образуется при высоких температурах в глубоком вакууме в специальных аппаратах. Завод выпускает светлые гранаты, розовые, желтые и зеленые. Время синтеза – около 4 суток. Ведутся иссле¬дования, направленные на получение кристаллов ИАГ любой окраски – от пурпурной и лимонной до чисто-голубой и сиреневой. 3.7. Ниобат лития Ниобат лития – LiNbO3 – относительно мягкий синтетический камень (твердость около 5,5 по шкале Мооса). Интересен он прежде всего оптическими свойствами, что позволило использовать его в лазерной технике.

Показатель преломления его 2,2 –2,3, дисперсия вы¬сокая 0,12, что обеспечивает красивую игру камня. Кристаллы выращивают по методу Чохральского. При добавках в расплав окислов металлов переходной группы можно получить кристаллы различной окраски: при введении окиси хрома – зеленую, окиси железа –красную, окиси кобальта – голубую или синюю.

В СССР ниобат лития не синтезируют. 3.8. Фианит В 1970 – 1972 гг. Физический институт Академии Наук СССР (ФИАН) раз¬работал способ изготовления нового синтетического материала на основе кубической модификации окиси циркония и гафния (Zr, Hf)O2, – фиа¬нит. Природным аналогом фианита является тажеранит, открытый на Тажеранском массиве. Фианит обладает хорошей огнеупорностью и химичес¬кой стойкостью, высокой степенью прозрачности, показателем преломле¬ния и дисперсией.

Температура плавления фианита 2600 –2750 °С, твер¬дость 7,5 – 8 по шкале Мооса, плотность 6 – 10 г/см3, показатель преломле¬ния приближается к алмазу 2,1 – 2,2. По химическому составу фианит представляет собой окись циркония в сочетании с добавками редкозе¬мельных элементов – эрбия, церия, неодима или кобальта, ванадия, хрома и железа. Кристаллы фианитов образуются из расплавленной массы элементов, входящих в его состав.

Процесс кристаллизации происходит на специальных затравках при охлаждении расплава. Скорость роста кристал¬лов 8 –10 мм/час. Можно получить кристаллы фианита массой до 250 г. Окраска фианитов и его плотность определяются химическим составом. Небольшие количества примесей перечисленных элементов придают фиа¬нитам разнообразный цвет и оттенки: красный, розовый, фиолетовый, го¬лубой, желтый, белый и др кроме изумрудного. По цветовой гамме фиа¬нит может соперничать с аметистом, гранатом и цирконом, по красоте он превосходит алмаз.

Высокий показатель преломления фианитов, близкий к алмазу и большая дисперсия создают особую игру света при различных условиях освещения. Эти свойства в сочетании с разнообразной окраской позволяют имитировать природные драгоценные камни из фианитов, а также созда¬вать новые, оригинальные по окраске. В ультрафиолетовых лучах фианит в зависимости от примесей может люминесцировать голубым, желтым, фиолетовым и другим цветом.

В промышленном количестве фианиты начали выпускать в СССР с 1972 г. Он сразу завоевал всеобщее признание как в технике, так и в ювелирной промышленности. Из него изготавливают высококачественные линзы для оптических приборов и очков, так как благодаря высокому показателю преломления почти плоские линзы обеспечивают высокую степень увеличения, а также оптические устройства для квантовых генераторов. Перспективен этот материал и для химической промышленности, так как фианит химически стоек в агрессивных средах, тугоплавок, не окисляется и не испаряется при температурах более 2500 °С. Он является изолятором, но при нагревании до температуры более 300 °С становится проводником.

Обрабатывать фианит можно только в определенных направлениях кристалла. Он довольно сложен в обработке, легко растрескивается и крошится. Выход при огранке сырья обычно не превышает 10 – 15 %. При огранке высота нижней части камня должна быть более глубокой, что улучшает его "игру" , а "площадка" – более широкой.

Грани фианитов слегка закруглены, что служит дополнительным отличием этих камней от бриллиантов. Подобный фианиту материал для имитации драгоценных камней выпускают за рубежом. В США фирма "Серез Корпорейшен" (Вальтхэм, штат Массачусетс) синтезирует материал "диамонеск", очень похожий по сво¬им свойствам на фианит, в Швейцарии фирма "Гранд" Лдевахирджан" СА" (Монтей, Валанс) производит "джевалит", а в Австрии фирма "Д. Сваровски энд К0" (Ваттенс, Тироль) выпускает "цирконий* по советской лицензии". Цены на эти материалы – 10 долларов за 1 кар. Глава 4.