7. Синтетичні та штучні камені. Імітації природних каменів. Основні методи вирощування синтетичних каменів.

У гемології термін синтетичний може бути використаний виключно до штучно отриманого матеріалу, який має той же хімічний склад, кристалічну структуру та фізичні/оптичні характеристики, що й його природний аналог (на практиці можливі деякі варіації складу, пов’язані з наявністю хімічних домішок). Існує, просте, цілий ряд штучних ювелірних матеріалів, які не мають природних аналогів, і коректніше буде називати їх штучним продуктом. Оскільки неможливо синтезувати ювелірні матеріали, які являються продуктами біологічних процесів росту, тобто органогенні ювелірні камені (такі як янтар, корал і гагат), термін «синтетичний» можна використати лише по відношенню ювелірних камені неорганічного походження.

З іншого боку, імітацією може бути будь-який матеріал, який має зовнішню схожість з каменем, який імітує. Часто дешевші ювелірні камені використовують для імітації дорожчих каменів такого ж кольору (наприклад, синій турмалін видають за сапфір). Аналогічним шляхом синтетичний камінь, такий як зелена синтетична шпінель, може бути імітацією турмаліну. Найчастіше у якості імітації ювелірного каміння використовується кольорове скло (так звана «паста»). Хімічний склад, фізичні параметри і т.п. імітації і природного каменю, який вона імітує, зазвичай зовсім різні, що робить ідентифікацію відносно легкою справою.

Інколи із-за плутанини термінів «синтетичним алмазом» можуть називати алмазну імітацію, зокрема такі штучні продукти, як кубічний діоксин цирконію чи синтетичний корунд.

Нижче розглянуті основні методи вирощування синтетичних каменів.

7.1. Метод Вернейля – плавлення у полум’ї

Синтез дорогоцінних ювелірних та технічних каменів за способом М.А. Вернейля вважається класичним і є першим промисловим методом вирощування кристалів корунду, шпінелі та інших синтетичних кристалів. У світі щорічно випускається близько 200 т синтетичного корунду і шпінелі. Метод Вернейля полягає в наступному: до пальнику з направленим вниз соплом через зовнішню трубу підводиться водень, а через внутрішню – кисень. У потік кисню подається подрібнений порошок окису алюмінію зернистістю близько 20 мкм, отриманий прожарювання алюмоамміачних квасцов, який при цьому нагрівається до певної температури і потім потрапляє в воднево-кисневе полум'я гримучого газу, де він розплавляється. Внизу під соплом розташовується стрижень з спеченого корунду, що виконує роль кристалоносія. На нього стікає розплавлений окис алюмінію, утворюючи кульку розплаву. Стержень кристалоносія поступово опускається зі швидкістю 5 - 10 мм/год, при цьому забезпечується постійне перебування розплавленої зростаючої частини корунду в полум'ї. На малюнку показана принципова схема установки для вирощування кристалів цим методом. Діаметр утворених кристалів ("бульок") зазвичай досягає 20 мм, довжина 50 - 80 мм, іноді їх розмір значно більше. Бульки представляють собою полікристали. Для отримання монолітного монокристала булька оплавляється шляхом подачі кисню. При цьому на оплавленій поверхні бульки частина кристалів залишається незруйнованою і вони при подальшому охолодженні бульки починають рости за рахунок оплавлених зруйнованих кристалів.

Для отримання рубіна до порошку окису алюмінію додають окис хрому, для синтезу сапфіра – оксид заліза і титану, для синтезу александритоподібного корунду – солі ванадію. Цим же методом вирощують синтетичний рутил і титанат стронцію.

Рис. Схема апарату Вернейля: 1 - шихта;2 - дозатор; 3 – кристалізаційна камера; 4 - кристалотримач; 5 - кристал; 6,8 - подача кисню; 7 - подача водню.

7.2. Метод Чохральського

Він полягає в наступному: розплав речовини, з якої передбачається кристалізувати камені, поміщають у вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію, молібдену або вольфраму) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають приманку з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до відповідної товщини. Вал з затравкою поступово витягають вгору зі швидкістю 1 – 50 мм/год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30 – 150 об/хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпінель, гранати, ніобіт літію та інші штучні камені.

7.3. Метод кристалізації з розчину в розплаві

Часто застосовується метод кристалізації з розчину в розплаві з використанням флюсів. При цьому камені кристалізуються зі змішаного розплаву, що складається з розчину сполуки і флюсів – молібдатів, боратів, фторидів, окису свинцю та ін. Кристалізують речовини зазвичай в платиновому тиглі при температурі від 600 до 1300 ° С (у залежності від виду кристалів). У розплав опускають приманку, а потім його охолоджують зі швидкістю 0,1 – 1°С/год На приманку поступово нарощується кристал. Швидкість зростання невелика – за кілька тижнів кристал виростає на 3 – 4 см. Цей метод по ефективності не може конкурувати зі способом Чохральського і застосовується в тих випадках, якщо кристал плавиться інконгруентно або відчуває деструктивне фазовий перетворення в твердому стані.

7.4. Гідротермальний

Процес здійснюється в автоклавах при тиску 7 • 10⁷ – 14 • 10⁷ Па і температурі 300 – 900 °С. Автоклав заповнюють розчином відповідного мінералу. У нижній частині автоклава температура вища; коли насичений розчин при кипінні піднімається вгору і потрапляє в умови з пониженою температурою, речовина осаджується на приманку природного кристала. Нижня і верхня частини автоклава розділені діафрагмою.

Гідротермальних методом синтезують різновиди кварцу (наприклад, 50 мм кристал безколірного кварцу для електротехнічної промисловості виготовляється протягом 3-4 тижнів) і корунду, а методом флюсу – ітрій-алюмінієві гранати, корунди, шпінель.

7.5. Зональне плавлення

Даний метод служить для очищення (підвищення чистоти матеріалу) або для вирощування високочистих кристалів з твердого чи частково розплавленого порошку. Установка включає в себе радіочастотну індукційну котушку, яка переміщається вздовж ємності з живильним матеріалом, розплавляючи його. При наступному пересуванні котушки матеріал охолоджується і кристалізується чи (якщо необхідне його очищення) перекристалізується. У іншому варіанті індукційна котушка може бути нерухомою, а матеріал буде рухатися всередині неї.

Рис. Процес зональної плавки, зонна очистка кристала (зліва); метод плаваючої зони, використаний «Сейко» (справа)

При очищенні цим методом (рис., зліва) кристал тримають вертикально і обертають по мірі його просування всередині індукційної котушки. Розплавлена зона утримується від розповзання поверхневим натягом матеріалу. Під час переміщення кристалу вниз через котушку суміші переносяться у розплавленій зоні до кінця кристалу. Синтетичні рубіни, сапфіри і олександрити «Сейко» виробляються за допомогою різновиду цього процесу, що має назву «метод плаваючої зони» (рис., справа). Кристали, отримані таким чином, не мають включень і видимих ознак росту.