Перевод с сайта Американского геммологического института
Синтетический камень — это материал, который синтезирован в лаборатории. При этом синтетическому камню присущи практически все химические, оптические и физические характеристики природного минерала-аналога. В некоторых случаях, например в синтетической бирюзе или синтетическом опале, могут дополнительно присутствовать и другие соединения.
Синтетические кристаллы драгоценных камней впервые были получены уже в конце 1800-х годов и их производство чаще всего удовлетворяло потребности разных отраслей промышленности, но синтетические камни не использовали в ювелирном деле. Первый успех был достигнут, когда удалось получить синтетический рубин, который можно было гранить. Синтетические кристаллы широко используют в лазерной технике, средствах коммуникации, микроэлектронике и для производства абразивных материалов. Синтетический камень для ювелирных изделий сейчас можно сделать «на заказ (т.е. соответствующего цвета и формы кристалла), взяв правильные ингредиенты и соблюдая все условия синтеза кристалла. Однако синтетические камни, конечно, будут не столь редки как натуральные камни того же размера, цвета, его насыщенности и чистоты. Так как может возникнуть путаница и их могут принять за натуральные камни, существуют строгие правила относительно того, как их следует покупать и продавать.
В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по торговле требует, чтобы любые драгоценные материалы, полученные в лаборатории описывали иначе, чем натуральные камни. Если происхождение синтетического драгоценного камня на момент продажи не отслеживается прозрачно по всему каналу дистрибуции от производителя к потребителю, это считается серьезным нарушением и квалифицируется как обман.. Есть также ряд отраслевых организаций, таких как Американская ассоциация торговли драгоценными камнями (AGTA), Международная ассоциация цветных драгоценных камней (МКА), и Всемирная ювелирная конфедерация (CIBJO), которые также сформулировали конкретные рекомендации для своих членов в отношении раскрытия происхождения синтетических камней при продаже.
В последнее десятилетие все меньше новых видов искусственных драгоценных материалов поступали на рынок. Это наводит на мысль, что ассортимент синтетических драгоценных материалов близок к достижению своего предела, но он не ограничен по объему продукции, который до сих пор весьма значителен. В течение прошлого века исследователи разработали целый ряд различных способов синтеза драгоценных материалов в лаборатории. Большинство этих методов делятся на две основные категории — получение из расплава или из раствора.
При кристаллизации из расплава химический состав расплава такой же, как и состав получаемого кристалла. При синтезе из раствора химический состав раствора или расплава другой, чем у кристалла. Составляющие компоненты растворяют или расплавляют при повышенной температуре и после охлаждения выпадает кристалл определенного состава. Основные способы синтеза камней:
Пламенная кристаллизация или процесс Вернейла (процесс плавления)
Первые коммерчески успешные синтетические драгоценные камни были созданы в процессе синтеза в пламени. Этот процесс заключается в вертикальном пропускании порошкообразных химикатов сквозь пламя высокой температуры, в пламени они плавятся и падают на вращающуюся подставку, где и образуется синтетический кристалл. На сегодняшний день это наименее дорогой и наиболее распространенный способ получения драгоценных камней, таких как синтетический корунд и шпинель.
Вытягивание кристалла или процесс Чохральского (процесс плавления)
Способ возник в начале 1900-х годов. Составляющие вещества расплавляют в тигле и синтетический кристалл растет из затравки, которую погружают в расплав, а затем медленно вытягивают из расплава по мере его роста. Таким способом выращивают синтетические александриты, хризобериллы, корунды и гранаты.
Рост из флюса (процесс роста из раствора)
На сегодняшний день некоторые синтетические драгоценные камни, такие как изумруд, рубин, сапфир, александрит, и шпинели получают с помощью процесса роста из флюса. Флюс представляет собой твердый материал, который в расплавленном виде растворяется в других материалах таким же образом как вода растворяет сахар. По мере остывания раствора выпадают образующиеся синтетические кристаллы.
Выращивание синтетического драгоценного камня таким способом требует терпения и значительных инвестиций. Рост кристаллов может занять до одного года, а оборудование стоит очень дорого. Но результаты, особенно когда речь идет об изумрудах, стоит затраченных времени и усилий.
Гидротермальное выращивание (процесс роста из раствора)
Как и в предыдущем способе, процесс гидротермального выращивания является медленным и дорогим. Но это единственный способ для успешного выращивания синтетического кварца. Он требует высокой температуры и давления и имитирует естественные процессы, происходящие в природе глубоко в земле, которые приводят к образованию природных драгоценных камней. Исходные вещества растворяют в воде и синтетические кристаллы образуются при остывании раствора.
Кроме вышеперечисленного в качестве эксперимента пытались синтезировать и другие камни, такие как малахит, изменяющую цвет синтетическую шпинель и другие. Но природа производит эти продукты с большей готовностью, поэтому не часто можно видеть такую синтетику. Из часто встречающихся синтетических камней:
Синтетические алмазы
Эти алмазы, выращенные в лаборатории, разделяют большинство характеристик их природных аналогов: они по существу состоят из углерода.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — это рост алмаза в вакуумной камере вследствие химической реакции, которая высвобождает атомы углерода и те осаждаются на пластине с алмазной затравкой.
Несколько синтетических алмазов, полученных химическим осаждением из паров (CVD).
Рост алмазов с помощью высокого давления и высокой температура (НРНТ) — это рост алмаза из растворенного в расплаве флюса углерода с последующим осаждением его на затравках при понижении температуры.
Коллекция алмазов различных цветов, полученных при помощи высокого давления и высокой температуры.
Синтетический корунд
Синтетический корунд: рубин и сапфир, можно получить наибольшим числом процессов. Поэтому синтетический корунд может стоить по-разному: встречаются экземпляры как по высокой цене, так и по вполне доступной.
Синтетический корунд может быть сделан в различных формах, включая эту красочную коллекцию кристаллов, полученных пламенной кристаллизацией.
В конце 1800-х годов рубин стал первым драгоценным камнем, созданным в лаборатории Огюста Вернейля. В 1902 году он объявил о разработке своего процесса пламенной кристаллизации для синтеза этого прекрасного драгоценного камня.
Синтетический рубин может быть получен с помощью выращивания из флюса (кристалл и граненый камень слева) и с помощью пламенной кристаллизации (буля и граненый камень справа).
Некоторые из самых ранних синтетических сапфиров встречаются в виде вставок в ювелирные изделия стилей модерн и арт деко. Многие синтетические сапфиры по-прежнему производятся путем пламенной кристаллизации. Выращенные из флюса сапфиры стали доступны с 1960-х годов. Выращенные из флюса, вытянутые и гидротермальные синтетические сапфиры могут быть очень убедительными заменителями натурального драгоценного камня. Изменяющий цвета синтетический сапфир, в подражание александриту, был популярен с начала 1900-х годов. Полученные включения вызывают эффект звездчатости в некоторых синтетических рубинах и сапфирах.
Синтетические сапфиры могут быть изготовлены так, чтобы проявить астеризм (звездчатый эффект). Коллекция сапфировых кабошонов.
Синтетический изумруд и другие бериллы
Синтетический берилл доступен во многих цветах, включая желтый, красный, синий (аквамарин) и зеленый (изумруд). В конце 1980-х и 1990-х Россия стала крупным производителем этих синтетических драгоценных камней и по-прежнему является основным поставщиком гидротермально выращенных драгоценных камней, таких как синтетический берилл и синтетический корунд, а также синтетического алмаза и синтетического александрита.
Примеры синтетических кристаллов берилла и ограненные камни (в том числе синтетический изумруд различных зеленых оттенков).
В конце 1930-х годов ученые, наконец, разработали коммерчески выгодный способ получения изумрудов желательно темно-зеленого цвета. Синтетические гидротермальные изумруды для ювелирных изделий появились на сцене в 1960 году.
Синтетические кварцы
Камни из кварца хорошего качества, такие как цитрин, розовый кварц, дымчатый кварц, аметист очень привлекательны. Но естественные кварцы ювелирного качества многочисленны, поэтому исследователи стали разрабатывать способы синтеза не из-за редкости камней, а потому что они играет ключевую роль в технологии. Использование кварца в высоких технологиях началось с 1880 года, когда братья Пьери Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект у горного хрусталя – свойства кристаллов при сжатии их создавать на ребрах граней электрические заряды. Было отмечено также, что если к ребрам граней подвести импульсы электрического тока, то кристаллы начинают несколько деформироваться, а при подводе переменного тока – вибрировать. Причем оказалось, что частотой вибрации можно управлять, если вырезать из кристаллов определенной формы пластинки. Эти добродетели находят практическое применение в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик), в электронных приборах («кварцем» в техническом сленге иногда называют кварцевый резонатор — компонент устройств для стабилизации частоты электронных генераторов, в часах, средствах связи.
Аметист
Выращенный в лаборатории аметист и другие разновидности синтетического кварца нашли свой путь в ювелирные изделия после того, как их разработали для промышленного применения. Первый гидротермальный кварц появился в лабораториях в 1890-х годах. После Второй мировой войны синтетический кварц стал широко доступен на коммерческой основе.
Природные кристаллы аметиста и горный хрусталь кварц (слева),и синтетический аметист и синтетический кристалл горного хрусталя (справа).
Синтетическая шпинель
В начале двадцатого века, исследователи пытались вырастить синтетический голубой сапфир, но совершенно случайно у них получилась синтетическая синяя шпинель. С тех пор синтетическая шпинель широко используется в качестве замены многих природных камней. В 1990-е годы в России были синтезированы выращенные из флюса синтетические шпинели различных цветов, включая красный, цвет, который трудно получить старым способом пламенной кристаллизации.
Синтетические шпинели показаны здесь в таком виде, каком они получаются в результате синтеза у производителя. Гранёные камни могут синтезироваться любых цветов и часто используются для имитации других природных камней.
Синтетический опал
В 1970 году компания Gilson разработала трехступенчатый процесс для получения синтетического опала. Во-первых, осаждение микроскопических сфер диоксида кремния. Затем выдерживание полученных шариков в кислой водной среде в течение более года. И, наконец, гидростатическое давление соединяет сферы, без деформации укладывая их друг на друга, создавая характерную для опала игру цветов.
Синтетические опалы иногда появляются на рынке, и не натренированному глазу может показаться, что это весьма ценный натуральный белый и черный опал.
Синтетический александрит
Натуральный александрит достаточно редок, чтобы полностью удовлетворить спрос на него. Поэтому за последние несколько десятилетий на рынке появились синтетические александриты. Александрит был синтезирован с помощью целого ряда различных процессов, в том числе, процессом Чохральского, зонной плавкой и выращиванием из флюса. Кроме того, изменяющий цвет синтетический корунд часто используется для имитации естественного александрита. В редких случаях встречается изменяющая цвет шпинель.
Синтетические александриты, такие, как этот камень (показан в свете лампы накаливания и дневном) встречаются редко. Менее редкими являются имитирующие александрит, такие как изменяющие цвет синтетическая шпинель и сапфир.
Перевод с сайта Американского геммологического института
В ювелирной промышленности используются специальные термины для искусственно полученных драгоценных камней и их двойников: синтетический камень и имитатор. Различия между ними являются тонкими, но очень важными. Синтетический камень изготавливают из разных материалов, но он того же химического состава, что и натуральный камень. У него та же кристаллическая структура, оптические и физические свойства, что и естественного драгоценного камня. Однако есть также материалы, которые просто выглядят как природные драгоценные камни. Эти продукты называются симуляторы или имитации, и могут быть как природного, так и искусственного происхождения. Старый термин таких материалов — заменитель.
Тонкости классификации
Ювелирные камни, сотворенные не природой, а человеком, можно разделить на синтетические (синтезированные) и имитации. Первые имеют естественный, реально существующий аналог и полностью совпадают с ним по цвету, составу, твердости и другим физико-химическим свойствам. Например, рубины, изумруды, алмазы, сапфиры бывают натуральные и синтетические. Камни, выращиваемые лабораторно, набирают коммерчески привлекательный вес за считаные месяцы, тогда как в природе этот процесс длится столетиями.
Термин «синтетические» по отношению к драгоценным камням «из пробирки» считается в ювелирной среде неудачным, поскольку ассоциируется у потребителей с имитацией и даже подделкой. Украшения с такими камнями, разумеется, имеют более доступную цену, чем с самородками, добытыми на рудниках и в шахтах, но их нельзя назвать стекляшками. По закону производитель обязан указывать на этикетке изделия информацию о том, что камень искусственно выращен. Отличить синтезированные камни от натуральных можно с помощью экспертизы в геммологическом центре, но никак не на глаз.
Имитации изготавливают из стекла, минералов, металлов, керамики, пластика. Природного аналога они не имеют, поскольку «изобретены» в лабораторных условиях. Так, ни у кристаллов Swarovski, ни у фианита подобия в природе нет, хотя они и похожи внешне на горный хрусталь и даже на бриллианты. Имитирующие ювелирные вставки используются при изготовлении бижутерии и аксессуаров (часы), реже в драгоценностях.
V) Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
» CVD » – это то, что мы называем «химическим осаждением из паровой фазы».
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) применяется на сегодняшний день (2004 год) почти исключительно к синтезу алмазов.
Этот метод, разработанный такими или «Apollo Diamond Inc», использует активацию смеси газов метана (CH4) и водорода (H2) с добавлениями или без них, такими как азот (N2) или диборан (B2H6).
Активация паровой фазы (превращение в плазму) происходит за счет высоких температур, генерируемых микроволновой, нитевидной или плазменной горелкой.
Осаждение радикалов (например, CH3), образующихся в этой паровой фазе, происходит на предварительно сформированной природной или синтетической алмазной подложке в качестве «семени» роста в диапазоне температур от 800 до 1000°C.
Образовавшиеся таким образом алмазы показывают развитие, которое сильно отличается от природных или синтетических алмазов, полученных методом HPHT.
Эти синтетические алмазы, полученные методом CVD, могут иметь любой оттенок коричневого, если в паровой фазе присутствует азот. Это наиболее распространенный случай, встречающийся на сегодняшний день, потому что полное отсутствие азота трудно получить в этом типе процесса. Эти коричневые бриллианты могут быть более или менее обесцвечены.
Полученные монокристаллы могут быть совершенно бесцветными и чрезвычайно чистыми, если в газовой смеси используются только водород и метан.
Но для получения таких результатов методика все еще сложна в применении, а время роста значительно больше.
CVD алмазы также могут быть легированы бором (B) для создания типа алмазов с оттенками от бледно-серо-голубого до фантазийного темно-синего.
Алмазы, полученные в результате этого способа синтеза CVD, обладают спектральными и люминесцентными свойствами, а также некоторыми специфическими для них дефектами роста, но эти свойства часто наблюдаются только при использовании дорогостоящих аппаратов.
Однако этот тип синтетических алмазов, подобно камням, полученным по технологии HPHT, можно отличить от природных, используя определенные компактные устройства для экспресс-тестирования, такие как «DiamondSure».
Нет сомнений в том, что эта техника, которая в настоящее время все больше развивается, имеет светлое будущее для крупномасштабного производства синтетических алмазов, которые могут быть использованы в ювелирных изделиях.
Синтезированные камни: немного истории
Первый синтетический камень – 10-каратный рубин – был получен в 1891 году французским минералогом Огюстом Вернейлем. По методу Вернейля стало возможным выращивать кристаллы, пригодные для ювелирного использования, и в 1910-м аналогичным образом удалось получить синтетический сапфир. Искусственный изумруд, идентичный натуральному, впервые выращен в 1935 году.
А вот с лучшими друзьями девушек – бриллиантами – не все так просто. В 1954 году в лаборатории американской компании General Electric «созрел» первый искусственный алмаз, чей цикл роста можно было повторить в промышленных масштабах. Но это был минерал технического значения, а не ювелирного. Ныне в мире ежегодно производятся миллионы каратов алмазов и алмазной крошки для нужд изготовителей различных приборов, устройств, инструментов.
Искусственные алмазы ювелирного качества были получены Гербертом Стронгом и Робертом Уэнторфом (оба из General Electric) в 1970 году, но аналогам и сегодня не удалось заполонить рынок украшений. Процесс выращивания короля камней долог, сложен и затратен по сравнению с другими самоцветами лабораторного происхождения. Бриллиант, ограненный из синтетического кристалла, может стоить от 50% до 90% цены аналогичного по весу и обработке натурального самородка, а то и превышать его по себестоимости. По мнению ученых, за этим направлением будущее, но пока не стоит опасаться, что настоящие алмазы в ювелирном деле будут вытеснены выращенными.
II) Раствор-расплавной метод
Этот метод включает в себя компоненты кристалла, которые должны быть получены в растворе, не содержащем воды. Для синтеза изумрудов в качестве флюса используются молибдаты лития, свинца, ванадия и др.
В некоторых безводных процессах в результате самопроизвольного прорастания в потоке образуются кристаллы.
Таким образом, этот процесс включает в себя на примере изумруда: составляющие бериллия, т.е. оксид бериллия, оксид алюминия, кремния (оксид кремния) и хромистую соль в качестве хромофорного агента, которые помещаются в раствор при высокой температуре в ванне с расплавленными солями, образующими «поток» (молибдаты, ангидриды и т.д.).
Ингредиенты, таким образом, смешиваются и плавятся при температуре около 800°C — 1000°C в платиновом тигле, затем медленно и под контролем охлаждаются над материалом из натуральных кристаллических семян (за исключением случая спонтанного прорастания).
После растворения содержимого тигля производятся кристаллы, размеры которых зависят от количества первоначально введенного составного материала, времени и температурного градиента, используемого для плавления и охлаждения.
Этот процесс (иногда ошибочно называемый диффузионной обработкой) на самом деле связан с синтетическими камнями. Действительно, некоторые бесцветные или низкосортные корунды могут быть использованы в качестве семян в процессе синтеза. Таким образом, получается крупный камень с тонким слоем цветного синтетического корунда вокруг него (сапфировый рубин и т.д.).
Различные производственные процедуры часто называются в честь ученого, который разработал их, или компании, которая использует и продает камни, полученные в результате этого процесса.
Вставки-имитации: немного истории
Самые популярные имитации драгоценных и полудрагоценных камней в украшениях – фианит и кристаллы (стразы) Swarovski. Запомните, фианит – это не искусственный бриллиант! В его составе нет основного для алмазов элемента – углерода, но присутствует окись циркония. Получен фианит в середине 1960-х годов учеными Физического института имени П. И. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН), в честь которого и назван.
Имитировать бриллианты с помощью ограненного свинцового стекла придумал в XVIII веке стекловар и ювелир с немецкими корнями Георг Штрасс, живший во французском Эльзасе. Фамилия мастера стала названием его изобретения: эффектные вставки получили именование «стразы». Век спустя идеи Штрасса развил Даниэль Сваровски, потомственный огранщик богемского хрусталя. Он улучшил состав страз, качество шлифовки и стойкость напыления, чтобы те красотой огранки, прозрачностью, игрой света и блеском не уступали бриллиантам. В 1895 году в Австрии Даниэль основал компанию Swarovski, чтобы продавать свою продукцию всему миру и в первую очередь модельерам Парижа. Дело талантливого огранщика, изобретателя первой электрической ограночной машины (1892) благодаря трудам потомков процветает и ныне. Кристаллы (стразы) Swarovski имеют 12 граней, изготавливаются из высококачественного хрусталя (стекло с 32%-ным содержанием окиси свинца) с добавлением порошка синтетических и натуральных камней ювелирной ценности.
VI) Седиментация
Седиментация чаще всего применяется для синтеза опала и включает (в случае синтеза благородного опала) химическую реакцию с кремниевой кислотой, в результате которой образуются кремниевые элементы, которые затем надолго остаются в осадочном слое.
Аморфные гидратированные элементы из кремния организуются в упорядоченные слои, которые, в конце концов, дадут ценнейшую игру цвета. Необходимо дать растворителям реакции (спиртам) возможность испаряться очень медленно.
В этом процессе во время высыхания зерна кремния, под действием напряжения, организованы в группы (кластеры), которые дают эффект, известный как «кожа ящерицы», наблюдаемый при увеличении. Опалы впервые получены таким образом французским химиком Пьером Жильсоном в 1970-х годах.
Существуют и другие «рецепты» синтеза благородного опала.
Некоторые синтезы, включающие такие соединения, как диоксид циркония (ZrO2) и, скорее всего, термический процесс, часто имеют колонный вид, и могут рассматриваться почти как разновидность керамики.
Зачем нужны синтетические камни и имитации
Прежде всего «заместители» драгоценных камней хороши тем, что делают украшения более доступными по цене. Купить кольцо с искусственно выращенным изумрудом без чрезмерных для собственного бюджета трат или откладывать деньги несколько месяцев на красоту, созданную природой, – личный выбор каждого. Да и те, кому не нужно копить на приобретение ювелирных шедевров, вне красных дорожек и торжественных ужинов предпочитают носить недорогие копии драгоценностей. Пример подает Бейонсе, чье помолвочное кольцо с 18-каратным бриллиантом оценивается в 5 млн долларов: на каждый день у певицы есть копия этого кольца, которая стоит в 1 000 раз дешевле – 5 000 долларов.
Также «альтернатива роскоши» вписывается в глобальный экотренд – заботу о сохранении окружающей среды, ведь месторождения некоторых драгоценных камней в наши дни близки к истощению.
И, наконец, у выращенного камня гораздо легче получить идеальные характеристики по весу в каратах, окраске, преломлению света, отсутствию каких-либо дефектов – вкраплений, микротрещин и прочего. Лабораторные центры по производству синтетических камней есть в России, Китае, Индии, США, Швеции и других странах мира.
III) Гидротермальный метод синтеза
При высоких температурах и давлениях вода (точнее, элементарные или кислые растворы) может вести себя как растворитель для минеральных видов. Это явление, близкое к природному, используют, чтобы получить кристаллы очень высокой чистоты, поместив их в автоклаве.
Водный раствор в цилиндре автоклавного типа из нержавеющей стали (иногда покрытый драгоценными металлами, такими как платина, золото или иридий), содержащем кремний (в верхней или нижней части цилиндра в зависимости от варианта) и питательные вещества в нижней части цилиндра, нагревается в случае синтеза изумрудов в диапазоне 350-600°C и под давлением от 250 до 1500 кг/см2.
Кристаллизация происходит вокруг затравочного кристалла благодаря изменению температуры (около 10°C) между нижней и верхней частями цилиндра.
Конвекционные движения жидкости переносят самые тяжелые составляющие в верхнюю часть цилиндра. Тот факт, что верхняя часть цилиндра менее горячая, приводит к охлаждающему эффекту, который направляет конвекционное движение раствора к центру и нижней части цилиндра и, таким образом, к затравочному кристаллу. Таким образом он растет.
Условия в этом процессе можно сравнить с условиями в природных месторождениях, хотя они существенно отличаются отсутствием углекислого газа, который играет очень важную роль в природных отложениях.
Производимые таким образом кристаллы особенно чисты и иногда очень большого размера.
Химическая реакция
Китайским ученым удалось синтезировать крупные микрочастицы высококачественных алмазов из углекислого газа (с помощью металлического натрия при температуре 440°С и давлении 800 атмосфер в автоклаве).
Синтезированные таким образом драгоценные камни были проверены комбинационным спектроскопическим и рентгеновским дифракционным приборами. Сканирующая электронная микроскопия показала, что эти алмазные частицы имеют размер от 10 до 250 мкм. Под оптическим микроскопом эти алмазы выглядят бесцветными и прозрачными.
В результате кубические алмазы имеют очень высокое качество, и при этой относительно низкой температуре этот метод может быть использован для изготовления больших драгоценных камней с CO2 в качестве непосредственно доступного источника углерода.
С более подробной информацией можно ознакомиться на сайте https://www.geminterest.com/synthese.php
