предыдущая главасодержаниеследующая глава

Синтетические камни

Корунды - Al2O3. ГОД рождения синтетического рубина - 1905. В лаборатории французского химика А. Е. Александра были получены искусственные рубины ювелирного качества по методу, предложенному М. А. Вернейлем. С этого времени данный метод стал промышленным. Сырьем для синтеза корунда служит тонкоизмельченный порошок оксида алюминия, получаемый при кальцинации аммоний-алюминиевых квасцов. Для окрашивания кристаллов добавляют оксиды переходных металлов в концентрациях 0,1 - 2,0%: оксид хрома для рубина, оксиды железа и титана для сапфира, оксид никеля для желтого, а оксид кобальта для зеленого корунда, оксид ванадия для псевдоалександрита. Некоторые зарубежные фирмы ("Линде" в США, "Видерс Карбидверк" в ФРГ) с 1947 г. начали промышленное изготовление "звездчатых" сапфиров и рубинов. Эффект астеризма получается при добавке в исходное сырье небольшого (около 0,3%) количества оксида титана. Полученные кристаллы отжигают длительное время в окислительной среде при температуре от 1100 до 1500°С; при этом происходит пересыщение оксида титана и выделение тонких ориентированных игл рутила, которые обеспечивают известный эффект шестилучевой звезды. Способ выращивания синтетических корундов по методу М. Вернейля до 1940 г. был распространен только в Европе. Им занимались такие фирмы, как "Содем Дьевайрдиан" в Швеции, "Байковский" и "Рубис синтез" во Франции, "Видерс Карбидверк" в ФРГ. С 1940 г. этот метод распространился в США, где фирма "Линде" начала промышленный выпуск синтетических корундов.

Методом Чохральского можно изготовить синтетические корунды любой формы - трубчатые, стержневые, ленточные и др. Такие профилированные изделия из корундов широко применяются в технике.

Синтезируя рубины по методу флюса или гидротермальным способом, можно получить ювелирные камни высокого качества. Этими методами фирма "Чатэм" (США) изготавливает ювелирные рубины размером до 60 мм.

В СССР методы выращивания синтетических корундов были освоены еще в 20-х гг. В настоящее время в Институте кристаллографии АН СССР им. А. В. Шубникова разработаны и применяются новые методы синтеза корундов, при помощи которых получают кристаллы корундов самой различной формы. В институте были созданы установки "Сапфир-1М" и "Сапфир-2М", в которых синтезируются корунды методом направленной кристаллизации, предложенным Х. С. Багдасаровым. Этот способ позволяет выращивать кристаллы лейкосапфира в виде пластин больших размеров с определенной заданной кристаллографической ориентацией.

Суть нового метода заключается в том, что молибденовый контейнер, заполненный исходным материалом, помещается в вакуумную печь, где его нагревают до температуры более 2000°С. При этом оксид алюминия расплавляется. Контейнер с расплавом медленно перемещается в зоны с более низкой температурой, и при снижении температуры до определенного значения расплав кристаллизуется. В настоящее время этим способом получают кристаллы массой более 4 кг. Весь процесс автоматизирован, за соблюдением режимов наблюдают датчики, дающие информацию на ЭВМ, которая управляет синтезом кристаллов.

В настоящее время в СССР освоено промышленное производство ювелирных и технических корундов. Прозрачные, тонкие, легкие трубки различного сечения и длины, полые трех-, четырех- и шестигранные призмы, нитеводители, швеллеры и уголки разных размеров из корунда - эти изделия применяются в лазерной технике, радиоэлектронике, светотехнике, химической промышленности, приборостроении. Там, где другие материалы не выдерживают высоких температур и действий агрессивных сред, используются изделия из корундов. Резцы из корунда позволяют без дополнительной заточки обработать в несколько раз большее число деталей, чем твердосплавные резцы. Сапфиры применяются даже в пищевой промышленности в виде датчиков для контроля состава сиропов, соков, жидких веществ. При этом срок работы датчика из сапфира увеличился до 2 - 3 лет против 5 - 4 месяцев работы датчика из стекла.

По данным советских исследователей, основные физические свойства синтетических корундов весьма близки к природным. Плотность синтетических корундов г/см3. Примесь хрома повышает плотность (до 4,013 г/см3), а титана, кальция и ряда других элементов - понижает. Показатели преломления: no=1,7681-1,7635, у высокохромистого рубина - до 1,7801; ne=1,7599-1,7631. Двупреломление no-ne=0,0082. Иногда в синтетических корундах появляется аномальная двуосность, связанная с остаточными внутренними напряжениями.

В спектрах поглощения синтетических фиолетовых, синих и зеленых сапфиров в отличие от природных отсутствуют некоторые полосы поглощения (454, 467, 473 нм). Это можно обнаружить даже у ограненных камней при довольно несложном исследовании на спектрофотометре СФ-18, оснащенном специальным приспособлением для записи спектров поглощения ограненных камней. Отличительный признак синтетических рубинов, полученных при гидротермальном синтезе, - наличие в ИК-спектрах серии полос поглощения в интервале 3000 - 3600 см-1, вызванных гидроксильными группами. В ультрафиолетовых лучах синтетические корунды люминесцируют ярко- красным (рубин), оранжево-коричневым (александритоподобный) и др. светом. Синтетические корунды, в том числе рубины и сапфиры, обладают рядом внутренних особенностей. Для них наиболее характерны газовые включения различного размера и формы, одиночные и образующие скопления в виде пятен, полос, облаков. Такие пузырьки газа кажутся темными в проходящем свете, в отраженном же свете они имеют вид ярких концентрически-зональных колец. Твердые включения в синтетических корундах могут быть представлены "непроплавами" непрореагировавшими частичками продуктов синтеза, пылью металлов, вводимых в корунд как легирующие присадки. В звездчатых синтетических корундах наблюдаются ориентированные включения рутила.

Хороший диагностический признак синтетических корундов - криволинейное распределение окраски, связанное с получением их по методу Вернейля в виде цилиндрических буль. Кривизна полос с различной интенсивностью окраски может быть различной, и в мелких камнях она мало заметна. Иногда в синтетических корундах наблюдаются свили - текстуры в виде потоков, обусловленные оптической неоднородностью камня.

Диагностика по внутренним особенностям корундов синтезированных гидротермальным методом, более сложна в связи с тем, что в них могут отмечаться включения и текстуры, характерные для природных камней. Однако внимательное изучение включений, формы и характера заполнения трещин, наличие "затравок" и другие признаки позволяют решить этот вопрос.

Определить синтетические корунды, имитирующие алмазы, александриты, изумруды, аквамарины, топазы и др., нетрудно, так как их основные физические свойства отличаются от природных корундов.

Шпинель - MgAl2O4. Синтезируется этот красивый драгоценный камень методом М. А. Вернейля. Для изготовления шпинели используют смесь оксидов алюминия и магния, получаемых соответственно из аммоний-алюминиевых квасцов и сульфата магния. Выращивают шпинель также из раствора в расплаве и др.

Синтетическая шпинель имеет твердость 8, плотность 3,59 - 3,61 г/см3, n=1,722-1,727. В ультрафиолетовых лучах инертна (розовая) или чаще люминесцирует: бесцветная - беловатым (365 нм), голубовато-белым (254 нм) цветом, голубая - красным (365 нм), тусклокрасным, голубовато-белым, оранжевым (254 нм); желтая - светло-зеленым; зеленая - красным (365 нм), молочно-белым (254 нм) цветом и т. д.

Синтетическая шпинель может быть самой различной окраски (рис. 48), и поэтому она имитирует не только природную шпинель, но и алмаз, сапфир, рубин, изумруд, аквамарин, гранаты, турмалин, циркон, топаз, лунный камень и др. Свойства природной и синтетической шпинели близки, но все же имеются и некоторые различия. Так, синтетическая шпинель характеризуется совершенной спайностью по кубу; в поляризованном свете при скрещенных николях у нее наблюдаются аномальное двупреломление, проявляющееся "муаровым" угасанием, а также узоры в виде тонких волосовидных полос, сеток или размытого черного креста.

Рис. 48. Синтетическая шпинель
Рис. 48. Синтетическая шпинель

Под микроскопом также видна неоднозначность природной и синтетической шпинели. Согласно Е. Гюбелину, для природной шпинели характерны включения октаэдрических кристаллов шпинели, доломита, игольчатого сфена, альбита, апатита. Синтетическая шпинель, выращенная по методу Вернейля, как правило, не содержит включений. Изредка в ней наблюдаются овально вытянутые мелкие газовые пузырьки. Криволинейная зональность окраски для синтетической шпинели менее характерна, чем для вернейлевских корундов.

Изумруд. Впервые синтетический изумруд получен в 1848 г. во Франции, однако коммерческого значения он не имел. В 50-е г. на мировом рынке продавался изумруд, полученный из раствора в расплаве. В 60-е г. появились изумруды, выращенные французской фирмой П. Жильсона. В 1965 г. американская фирма "Линде" в таком огромном количестве (200 тыс. кар в год) выпустила синтетический изумруд под названием "квинтесса", что возникла острая проблема в его сбыте. Новое оживление торговли связано с появлением гидротермального синтетического изумруда под названием "регентский изумруд", выпускаемого американскими фирмами "Вакуум веючаро ини" и "Помтон лейко". В настоящее время синтетические изумруды выпускаются в СССР, США, Франции, Швейцарии, ФРГ, Японии и др. Известны синтетические изумруды "Эмерита" или "Симеральд", изготовляемые в Австрии. Они представляют собой бериллы с изумрудным покрытием толщиной 0,3 мм. Цвет их бледно-зеленый. Такие изумруды характеризуются трещиноподобными линиями в поверхностном слое, который выглядит при погружении в жидкость как тонкий интенсивно-зеленый ободок [1].

Фирмы "Чатэм" (США) и "Жильсон" (Франция) выпускают синтетические изумруды "Эмеральз", выращенные из раствора в расплаве с флюсом на затравку из пластин берилла. В качестве флюса применяют оксиды лития и вольфрама или оксиды лития и молибдена. Процесс синтеза протекает очень медленно - в течение месяца наращивается слой толщиной в 1 мм.

В последние годы получил развитие гидротермальный метод синтеза изумрудов, при котором рост кристалла изумруда осуществляется также на затравку из природного берилла при температуре 500 - 600°С, давлении 70 - 140 МПа с заполнением автоклава расплавом на 2/3 объема. Скорость роста кристаллов 0,8 мм/сут. Этот метод применяется для выращивания изумрудов фирмой "Линда" (США). Более точная технология и условия синтеза изумрудов фирмой не публикуются.

Рис. 9. Схема установки для выращивания изумрудов: 1 - растворитель; 2 - цилиндрический платиновый стакан; 3 - смесь из двух компонентов; 4 - затравочное устройство; 5 - платиновая отбойная пластина; 6 - третий компонент; 7 - платиновый тигель
Рис. 9. Схема установки для выращивания изумрудов: 1 - растворитель; 2 - цилиндрический платиновый стакан; 3 - смесь из двух компонентов; 4 - затравочное устройство; 5 - платиновая отбойная пластина; 6 - третий компонент; 7 - платиновый тигель

Интересен метод синтеза изумруда, разработанный японскими исследователями Хиронаса и Сэйдзо. Установка представляет собой платиновый тигель с горизонтальной платиновой отбойной перегородкой. Нижняя часть тигля разделена цилиндрической платиновой стенкой (рис. 9) Смесь из любых двух компонентов (SiO2, Al2O3, BeO2) помещают в кольцевое пространство, третий компонент в центральную часть. В верхней части отбойной перегородки располагают затравочные кристаллы. Затем в реактор вводят растворитель из молибдата лития или оксида ванадия и всю систему равномерно нагревают до температуры, превышающей точку плавления каждого из компонентов смеси. Когда температура каждого из изолированных компонентов смеси становится выше точки плавления растворителя, начинается плавление. В результате диффузии компоненты поднимаются к затравочным кристаллам, проходят через отбойную перегородку и смешиваются 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 добавлен молибдат лития, или в соляной кислоте, если растворителем служит оксид ванадия. В результате получают прозрачные бесцветные кристаллы, не отличающиеся по физическим и химическим свойствам от природного изумруда. Красивый зеленый цвет достигают добавлением в раствор небольшого количества оксида хрома. Японская фирма "Киоте Керамик и К°" этим методом изготавливает ежегодно около 300 кар синтетических изумрудов. Успешно выращиваются изумруды в СССР.

Свойства синтетических изумрудов весьма близки к свойствам природных камней. Изумруд, выращенный из раствора в расплаве, имеет показатели преломления. no=1,556-1,567; ne=1,556-1,561; no-ne=003-0,004. Плотность 2,64 - 2,65 г/см3. Для него характерны красный цвет под фильтром Челси и в ультрафиолетовых лучах, наличие включений флюса и типичных вуалеобразных трещин, поглощение в видимой области с максимумами при 420 - 425 и 450 - 455 нм, отсутствие в инфракрасных спектрах полос поглощения воды [12].

У гидротермального изумруда показатели преломления: ne=1,571-1,578; ne=1,566-1,572; no-ne=0,005-0,007. Плотность 2,67 - 2,69 г/см3. Окраска и физические свойства таких изумрудов еще ближе к природным. Только мелкие черные и бурые непрозрачные включения, характерное блочное строение, поглощение в области 430, 450 нм и интенсивное поглощение в красной области позволяют отличить эти изумруды от природных.

В настоящее время искусственно выращиваются и другие разновидности берилла, окрашенные в голубой, розовый и иные цвета.

Кварц - SiO2. В настоящее время кварц выращивают гидротермальным способом в стальных автоклавах. Растворителем сырья природного кварца служат растворы гидроксидов и карбонатов щелочных металлов - натрия или калия концентрацией от 3 до 15%. Синтез проводят при давлении 50 - 150 МПа и температуре 250 - 450°С. Для затравки используют пластины или стержни природного кварца, которые ориентируют параллельно кристаллографическим плоскостям {0001} и {120}. Скорость роста кристаллов - до 0,5 мм/сут. Было установлено, что если в калиевые расплавы исходного раствора с низкой концентрацией калия добавить железо, то образуются бурые кристаллы, при более высокой концентрации калия - зеленые.

При синтезе кварца в системы H2O-SiO2-K2O-CO2 с добавкой окислителей при давлении 150 МПа зеленая и бурая окраска изменяется на золотисто-желтую - цитриновую. Появление такой окраски зависит от концентрации в растворе ионов Fe3+. При дальнейшем увеличении концентрации железа кристаллы становятся оранжево-красными.

Синюю окраску кристаллов получают, вводя в систему H2O-SiO2-Na2O-CO2 кобальт. Густота окраски зависит от содержания последнего: в голубых кристаллах его до 0,001%, а в ярко-синих - до 0,02%.

Аметистовая окраска достигается при выращивании кристаллов в калиевой системе при температуре 320 - 420°С и давлении 100 - 140 МПа. Если в систему H2O-SiO2-K2O-CO2 добавить избыточное количество трехвалентного железа и снизить содержание примеси алюминия, то кристалл становится дымчатым. После ионизирующего облучения кристаллы приобретают прочную аметистовую окраску. Введенный в систему алюминий частично замещает кремний, в результате чего после воздействия ионизирующего облучения окраска кристалла кварца становится дымчатой, типичной для раухтопаза. При увеличении концентрации алюминия можно получить черную окраску, подобную цвету мориона.

Цветной синтетический кварц широко применяется в ювелирной промышленности, а бесцветные его разности - в технике: радиоэлектронике, оптике, химической промышленности. В СССР налажено промышленное производство синтетического кварца [5]. По свойствам синтетический кварц идентичен природному.

Рутил - TiO2. В 1948 г. в результате проведенных исследований в фирмах "Линда" и "Националь Лед и К°" (США) был разработан 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 желтоватый оттенок. Синтетический рутил используется в ювелирных изделиях как имитация алмаза. Он имеет алмазный блеск, твердость 6 - 6,5. Плотность 2,90 - 2,97 г/см3. no=2,62; ne=2,90-2,97; ne-no=0,287. Дисперсия - 0,280, вследствии чего обладает очень сильной игрой света, что позволяет легко отличить его от бриллианта.

Титанат стронция (фабулит) - SrTiO3. Долгие годы использовался как лучшая имитация бриллианта (до появления фианита). Фабулит совершенно бесцветен, оптически изотропен, и его показатель преломления (2,41) аналогичен алмазу. Дисперсия у фабулита 0,10 - 0,20, т. е. более высокая, чем у алмаза, что обеспечивает красивую игру при изменении углов падения лучей света или освещения. Твердость - 5,5 - 6,0, поэтому его целесообразно использовать для изготовления серег или кулонов, а не в кольцах.

Синтез титаната стронция осуществляется по методу М. А. Вернейля. После выращивания кристаллы обязательно отжигают в струе кислорода при низкой температуре. За рубежом промышленный выпуск фабулита осуществляет фирма "Националь Лед и К°" (США).

Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) - Y3Al2[AlO4]3, гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) - Gd3Ga2[GaO4]3. ИАГ, ГГГ и другие искусственные редкоземельные гранаты представляют собой соединения, имеющие структуру граната. Они стали выпускаться в начале 60-х гг., г 1969 г. - использоваться в ювелирных целях. Выращиваются ИАГ и ГГГ методами горизонтальной направленной кристаллизации, Чохральского и др. [4].

Бесцветный ГГГ широко используется как имитация бриллиантов. Он имеет высокие, близкие к алмазу, показатель преломления (n=2,02-2,03) и дисперсию (0,038.) Твердость ГГГ - 6 - 6,5. Плотность 7,05 г/см3. В ультрафиолетовых лучах инертен либо светится слабым розовым или фиолетовым цветом.

ИАГ содержит различные редкие земли, вследствие чего может приобретать разнообразные окраски: зеленую, желтую, сиреневую, розовую и т. д. Твердость его 8,5. Плотность 4,57 - 6,69 г/см3. Показатель преломления n=1,832-1,873. Дисперсия - 0,028. В ультрафиолетовых лучах инертен или люминесцирует белым, розовым, сиреневым, желтым светом.

Ниобат лития - LiNbO3 - выращивается по методу Чохральского. Бесцветный, при добавках в расплав оксидов металлов переходной группы можно получить кристаллы различной окраски: при введении оксида хрома - зеленую, оксида железа - красную, оксида кобальта - голубую или синюю. Это относительно мягкий синтетический камень (твердость около 5,5). Интересен он, прежде всего, оптическими свойствами. Показатель преломления его n=2,21-2,31. Дисперсия высокая - 0,120 - 0,130, что обеспечивает красивую игру камня. Плотность 4,64 г/см3. Используется как имитация бриллианта.

Фианит - (Zr, Hf)O2. В 1970 - 1972 гг. Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) разработал способ изготовления нового синтетического материала на основе кубической модификации оксида циркония и гафния - фианита. Он обладает хорошей огнеупорностью и химической стойкостью, высокой степенью прозрачности. Температура плавления фианита 2600 - 2750°С, твердость - 8, плотность 5,5 - 5,9 г/см3, показатель преломления приближается к таковому алмаза - 2,15 - 2,18. Дисперсия - 0,059 - 0,065. По химическому составу фианит представляет собой оксид циркония, стабилизированный добавками редкоземельных 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 кристаллов 8 - 10 мм/ч. Можно получить кристаллы фианита массой до 250 г. Окраска фианита и его плотность определяются химическим составом. Небольшие количества примесей перечисленных элементов придают фианитам разнообразный цвет и оттенки: красный, розовый, фиолетовый, голубой, желтый, белый и др. (кроме изумрудного). По цветовой гамме фианит может соперничать с аметистом, гранатом и цирконом (рис. 49).

Рис. 49. Фианит
Рис. 49. Фианит

Высокий показатель преломления фианитов, близкий к показателю алмаза, и большая дисперсия создают особую игру света при различных условиях освещения. Эти свойства в сочетании с разнообразной окраской позволяют имитировать природные драгоценные камни, а также создавать 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 сырья при огранке обычно не превышает 15%. При огранке высота нижней части камня должна быть более глубокой, что улучшает его "игру", а "площадка" - более плоской. 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" синтезирует материал "диамонеск", очень похожий по своим свойствам на фианит, в Швейцарии фирма "Гранд"Лдевахирджан"СА" производит "джевалит", а в Австрии фирма "Д. Сваровски энд К " выпускает "цирконий"1 по советской лицензии. Цены на эти материалы - 10 дол./кар.

1 (Так называют фианит в Австрии)

Алмаз. "Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственного его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немногое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом..." - так писал А. Е. Ферсман. В 1938 г. советский физик О. И. Лейпунский провел теоретический анализ условий образования алмаза из графита и определил области стабильного существования алмаза. Им была изучена диаграмма состояния алмаз - графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов.

В феврале 1953 г. группе физиков шведской энергетической компании ASEA при проведении одного из опытов по синтезу алмаза из графита удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Давление составляло 80·108МПа, температура 2500°С, выдержка во времени 2 мин. В декабре 1954 г. ученые фирмы "Дженерал Электрик К°" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. Впоследствии ими была разработана камера типа "белт". После этого синтез алмазов был организован в Бельгии, Великобритании, Японии и др.

В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л. Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800 - 2500°С и давлении более 50·102МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров (рис. 10). Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, и давление в камере превышает 50·102 МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы размером до 0,5 - 0,8 мм; физико-механические свойства более крупных кристаллов хуже. Кроме описанного, разработаны другие способы выращивания алмазов.

Рис. 10. Схема камеры типа 'чечевица': 1 - пуансоны; 2 - реакционная смесь графита с никелем; 3 - пирофиллит; 4 - муфта
Рис. 10. Схема камеры типа 'чечевица': 1 - пуансоны; 2 - реакционная смесь графита с никелем; 3 - пирофиллит; 4 - муфта

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10·102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит - воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым [26]. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.

В 1961 г. в США фирмой "Эллайд Хемикал и Дю Пон" был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200·102 МПа и температуры до 2000 °С и в графите образуются мелкие (до 10 - 30 мкм) синтетические алмазы.

В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов, получивших название АВ. Фирмой "Дженерал Электрик К°" (США) в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

В настоящее время ежегодное производство синтетических алмазов (без СССР) составляет более 200 млн. кар. Главные центры - США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР ("Де Бирс"), Англия, Япония.

В СССР промышленностью выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО - алмазы обычной прочности, АСР - алмазы повышенной прочности, АСВ - алмазы высокой прочности, АСК и АСС - алмазы монокристаллические.

Размер алмазов первых трех видов 0,04 - 0,63 мм. Кроме того, выпускаются две марки мжропорошков - АСМ и АСН с размером зерен 1 - 60 мкл. Размер зерен монокристаллических синтетических алмазов АСК и АСС до 1 мм.

Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алмазов АСО, а наименее развитая - для алмазов АСС. Прочность алмазов возрастает в следующем порядке: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС. Механическая прочность алмазов АСС приближается к прочности природных алмазов.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических.

Кроме перечисленных марок синтетических алмазов, в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, используемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по физическим свойствам к природным алмазам, - эльбор (или кубонит), гексанит и др.

В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей. Нерешенных проблем в этой области очень много.

Александрит - BeAl2O4. Впервые был синтезирован в 1972 г. в США. Сейчас выращивается в ряде стран методами из раствора в расплаве, Чохральского, гидротермальным. Свойства синтетического александрита аналогичны свойствам природного. Отличается от последнего наличием характерных включений, ростовых полос, дактилоскопических текстур.

Бирюза - CuAl6[PO4]4(OH)5·5H2O. В настоящее время получают синтетическую бирюзу - аналог природной. Первые сообщения о получении синтетической бирюзы, полного аналога природной, принадлежат М. Гофману (1927 г.). Однако есть сомнения относительно идентичности структур Гофмана была получена смешиванием и последующим прессованием при нагреве Cu(SO4) и Al2(SO4)3 и Na2(HPO4) или углекислой основы меди и Al(OH)3 с H3PO4.

В 1972 г. Пьер Жильсон синтезировал бирюзу, являющуюся полным аналогом природной. Признаками, позволяющими отличить подобную бирюзу от природной, являются следующие: несколько заниженная плотность (2,7 г/см3), характерная структура поверхности, наблюдаемая под микроскопов обусловленная наличием угловатых голубых частиц, распределенных в беловатой основной массе (в природной иногда можно заметить темно-синие диски на более светлом фоне). Капля разбавленной соляной кислоты впитывается природной бирюзой и скатывается с синтетической.

Спектры отражения синтетической бирюзы в интервале 450 - 1300 см-1 отличаются от спектров природной, для нее характерны максимумы поглощения 1115, 1050, 1000 и 570 см-1 с более сглаженными широкими пиками. Необработанная бирюза П. Жильсона стоит примерно в 5 раз ниже высококачественной природной: в зависимости от качества бирюза умеренно-синего ("Клеопатра") и интенсивно-синего ("Фарах") цвета оценивается от 135 до 750 дол./кг.

Синтетическая бирюза, практически неотличимая от природной, получена в СССР [5].

Опал - SiO2·nH2O. Долгое время не удавалось синтезировать опалы. И только в 1964 г. Слоукум впервые получил хрупкий и пористый материал с оптическим эффектом, характерным для благородного опала. Плотность его 2,5 г/см3, показатель преломления - 1,52 - 1,53, твердость - 5,5 - 6,5. Он легко разрезался и полировался. Синтетические опалы на кремнеземной связке (самые близкие к природным) впервые получены в 1972 г. П. Жильсоном по методу, предложенному А. Гаскиным, П. Даррахом и Дж. Пердиксом. Они почти неотличимы от природных. Цвет опалов Жильсона молочный и черный. Опалесценция и ее рисунок также близки к природным. Плот ность 2,03 г/см3, показатель преломления - 1,44, твердость - 4,5 (несколько ниже, чем у природного опала). Синтетические опалы в отличие от природных легко прилипают к языку.

К диагностическим признакам синтетического опала можно отнести: 1) их равномернозернистую мозаичную структуру, наблюдаемую в горизонтальной плоскости, и столбчатую, волокнистую - в вертикальном разрезе; 2) зональное строение цветовых участков, а также большую прозрачность, полосчатость; слагающие их блоки создают эффект "шкуры ящерицы". Синтетические опалы отличаются от природных упаковкой частиц, которую можно установить при электронно-микроскопических исследованиях. Синтетические опалы выращивают и в СССР.

Малахит - Cu2(OH)2CO3. Прекрасного зеленого цвета с тонкослоистым рисунком малахит производится в СССР, Канаде и ряде других стран. Изделия из него уже стали соперничать с изделиями из природного малахита.

Получены и некоторые другие синтетические камни, применяемые в ювелирном деле (сподумен, шеелит и др.).

Природные драгоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих синтетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные. Г. Банк пишет: "Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драгоценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по-прежнему ценит лишь оригинал!".

предыдущая главасодержаниеследующая глава






Лабораторные бриллианты занимают всё большую долю рынка

Советы ювелирного стилиста: выбор актуальных моделей женских колец

В 1905 году на руднике «Премьер» в Южной Африке добыт самый крупный в мире алмаз - «Куллинан»

Лабораторные бриллианты становятся популярнее

В Калининграде нашли янтарь весом более 3 кг

Муассанит: ярче бриллианта и крепче сапфира

На кувейтском острове нашли 3,6-тысячелетнюю ювелирную мастерскую

Сияющий опал: 10 удивительных фактов о самом красивом драгоценном минерале

Модный тренд 1950-х: ювелирные украшения, которые приклеивали к телу

Ювелирный этикет ношения колец: правила, которые необходимо соблюдать

Странные гигантские алмазы приоткрывают тайну состава Земли

Что хранится в королевской шкатулке?

Работу хабаровского ювелира приняли в постоянную экспозицию Эрмитажа

В Болгарии найден древний амулет из Китая



Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Карнаух Лидия Александровна, подборка материалов, оцифровка; Злыгостева Надежда Анатольевна, дизайн;
Злыгостев Алексей Сергеевич, разработка ПО 2008-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: 'IzNedr.ru: Из недр Земли'