Только глаз специалиста сможет обнаружить разницу между включениями натуральных и искусственных камней. Для производства синтетических камней широко используются метод Вернейля и метод Чохральского.
I) Методы Вернейля и Чохральского
В 1891 году Вернейлем был разработан процесс синтеза кристаллов корунда из чистой окиси алюминия (Al2O3), и, следовательно, корундов, легированных красителями (хром для рубинов, железо и титан для сапфиров и т.д.). В 1904 году на рынке появились первые синтезированные таким образом рубины, в 1907 году – сапфиры, а в 1947 году – рубины и звездчатые сапфиры.
В этом производственном процессе алюминиевый порошок расплавляется в пламени кислородно-водородной горелки, которая может создать высокотемпературное пламя (до 2700°C). Порошок вводится через сопло, подающее кислород. Капли, образующиеся в сердце пламени, падают на алюминий и кристаллизуются там, образуя цилиндр кристалла.
В камнях старых производств можно заметить участки роста цвета и пузырьки воздуха. Новые усовершенствования этой техники и высокотемпературный режим приводят к появлению драгоценных камней, где эти дефекты практически незаметны.
Так называемый метод «вытягивания», разработанный Чохральским, заключается в том, что затравочный кристалл находится в контакте с расплавленным материалом. Кристаллизованный материал плавится в платиновом или иридиевом тигле. Затем затравочный кристалл поднимается вверх путем вращения в направлении, противоположном вращению тигля, вытягивая вместе с ним охлаждающий и кристаллизующийся материал.
Этот метод также может привести к появлению в камне пузырьков воздуха, захваченных во время кристаллизации.
Метод Бриджмена включает в себя расплавленный порошок в иридиевом тигле, который вращается в корпусе, где температура медленно изменяется с обеих сторон от точки плавления кристаллизуемого материала. Камни растут снизу вверх, образуя очень чистые кристаллы.
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.
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.
IV) Высокое давление и высокая температура (HPHT)
Синтетические алмазы отличаются, например, по давлению от 50 000 до 100 000 атмосфер и температуре от 1000 до 2800°C, которые могут потребоваться для их производства.
В 1955 году General Electric подвергла углеродистые вещества давлению более 100 000 атмосфер в камере из пирофиллита, а также температуре более 2760°С, и получила мелкие кристаллы в этих критических условиях. Присутствие никеля и других металлов-катализаторов способствовало переходу от графита к алмазу, но образцы были магнитными.
В 1970 году та же компания объявила о создании кристалла более чем в один карат. Себестоимость камня в то время была значительно выше, чем цена того же самого природного алмаза.
Chatham поставляет бриллианты всех цветов, полученные в результате литья никеля и железа при температуре 1000°C при 50 000 атм. Образовавшиеся таким образом алмазы достаточно крупные и ювелирного качества с включениями. При том же качестве их цены сегодня в три раза ниже, чем у их природных аналогов.
Компания Gemesis Corp из Флориды запускает в производство большое количество синтетических бриллиантов от желтого до оранжевого цвета.
Ожидается, что эта компания очень скоро начнет производство алмазов не желтого цвета. Метод Gemesis позволяет получать алмазы весом более 3,5 карат с четкими кристаллическими формами. Эти высококачественные камни также имеют включения.
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 компаниями, как «Element Six» 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.
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.
VII) Метод Жильсона
Известный французский химик и специалист по керамике Пьер Жильсон в свое время разработал в дополнение к опалам материалы, имитирующие кораллы и ляпис-лазуриты настолько хорошо, что их иногда называли «синтетическими кораллами» или «синтетическими ляпис-лазуритами». Однако некоторые химические и/или структурные отличия, по сравнению с природными камнями, делают их материалами, классифицируемыми как имитации.
Бирюза также была воспроизведена Жильсоном. В этом случае материал можно рассматривать как истинный синтез, так как при этом соблюдаются физико-химические характеристики природного материала.
Керамические процессы включают в себя физические и/или химические агрегаты, проводимые под воздействием тепла и/или давления.
Синтетический опал может, кажется, также рассматриваться как форма керамики.
VIII) Другие пути синтеза
В одиночку или с помощью реагентов твердые частицы могут изменяться под действием температуры из твердого состояния в газообразное, и можно транспортировать и управлять этими парами для того, чтобы заставить их редуцироваться и кристаллизоваться в виде монокристаллов.
Такие синтезы проводились успешно (например, для рубина), но обычно дают небольшие кристаллы в виде игл, хлопьев. Этот вид синтеза пока не применяется в промышленном производстве камней.
Здесь следует отметить, что аналогичные процессы, такие как синтез CVD (см. выше), до недавнего времени не использовались для коммерческого производства монокристаллических драгоценных камней.
Метод CVD в настоящее время используется для получения алмазов в коммерческих количестве и качестве.
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