Искусственный камень: как делают синтетические камни и иммитации

Популярность ювелирных изделий со вставками из драгоценных камней растет с каждым годом. Но добыча природных минералов из недр – процесс трудоемкий и требует больших временных затрат, что может привести к возникновению их дефицита. Покрыть нехватку кристаллов, помогают искусственные камни, которые имеют аналогичную кристаллическую решетку и внешний вид, что и натуральные прототипы. К тому же для их появления не нужно вмешиватся в природную среду и создавать «лунные ландшафты» в местах разработок.

Искусственный камень – это минерал, созданный в лабораторных условиях и которому присущи все физико-химические и оптические свойства природного прототипа. Они не являются подделками, так как условия их создания полностью имитируют естественные. Только за счет современных технологий и созданию специальных факторов этот процесс происходит намного быстрее.

Искусственно выращенные ювелирные камни имеют ряд преимуществ перед натуральными:

• невероятная чистота, отсутствие трещин, высокие оптические свойства
• возможность создать камень с заданными параметрами и идеальной огранкой;
• удобство в носке. Синтетические минералы не реагируют на жирную среду, не тускнеют от контакта с телом;
• сравнительно низкая цена искусственного камня, что делает мир украшений доступным для широкого круга людей.

В условиях лаборатории также создаются синтетические вставки, которые не имеют своих прототипов в естественной среде. Речь идет о фианитах, кристаллах Swarovski, ситаллах, сапфировом стекле, иттриево-аллюминиевом гранате и галлиево-гадолиниевом гранате. Существует еще один тип искусственного ювелирного камня – камень-имитация. Такие синтетические драгоценные камни повторяют внешний вид природных минералов, но имеют разную кристаллическую решетку и, соответственно, разные свойства.

История появления синтезированных ювелирных камней

В естественных условиях кристаллы образовываются в глубине земной коры при высоких температурах и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. И чтобы синтезировать аналог природных минералов, ученым необходимо было искусственно создать такие же условия. Получить столь высокую температуру и давление стало возможным только в конце 19 века. Это сделал французский ученый — химик Огюст Виктор Луи Вернейль, который в 1892 году разработал уникальную технологию и оборудование, позволяющие за считанные часы выращивать кристаллы рубина массой до 30 каратов. Спустя 18 лет по этой технологии были получены искусственные сапфиры, причем не только синего цвета, но и бесцветные, желтые, зеленые и розовые. За три года объем сапфиров, созданных в лаборатории, увеличился до 6 млн. карат.

Искусственные изумруды были впервые созданы в 1935 году, и долгое время производились только в лаборатории химика из Сан-Франциско Кэрола Чэтема. В 1948 эта технология была применена и для рутила.

В конце двадцатого века ученым из США удалось впервые получить искусственные александриты, которые невозможно было отличить от натуральных. Вскоре были разработаны уникальные синтезированные ювелирные камни, не имеющие прототипов в естественной среде — гранатин и фианит. Сравнительно недавно список искусственно выращенных камней пополнился флюоритом, шеелитом, бирюзой и опалом.

Наибольшие трудности возникли с искусственным бриллиантом. Впервые камень синтетического значения был создан в лаборатории корпорации General Electric в 1954 году. Но упорные попытки сотрудников этой лаборатории создать камень ювелирного значения завершились успехом только в мае 1970 г. 

Стоит отметить, что процесс выращивания бриллианта настолько дорог, что может стоить до 90% цены аналогичного по весу натурального камня, а то и превышать его по себестоимости. Поэтому выращивать бриллианты ювелирного значения экономически не целесообразно.

В ювелирных магазинах представлены красивые кольца с бриллиантами, серьги, колье а также другие украшения с этим драгоценным камнем. Это же касается и кристаллов топаза, хризолита, красных гранатов. Их природные аналоги стоят дешевле.

Методы создания искусственных камней

Для синтеза самоцветов используются разные методы. Они, конечно же, отличаются между собой, но идея у них общая – измельчение низкокачественное натурального сырья минерала, стабилизация цвета, расплавление шихты (сухого порошка) и образование твердой фазы (кристалл).

Исходя из привязанности к фазовому состоянию и составу среды, эти методы условно можно разделить на 3 типа:

1. полученные из расплавов;
2. полученные из растворов;
3. осажденные из паровой фазы.

Стоит отметить, что многие методы создания искусственных минералов до конца не известны общественности и являются коммерческой тайной.

Выращивание из расплава.

Существуют такие методы:

1. Метод Вернейля. Это первый и наиболее массовый в ювелирной истории метод создания кристаллов из расплава шихты, с помощью которого удалось получить рубины нехарактерных цветов, двухцветные и звездчатые сапфиры, рутилы, шпинель, фабулиты.
2. Способ гарнисажной плавки заключается в соединении расплавленной шихты с твердой фазой с последующим медленным снижением температуры. Таким способом создаются искусственные фианиты, корунды и сапфиры.
3. Метод Чохральского подразумевает "вытягивание" кристалла из расплава. Благодаря этому способу создаются многие минералы – рубины, шпинель, сапфиры, гранаты, александриты, шеелиты и флюориты.

Эти методы очень часто применяются в лабораториях. С их помощью выращивается больше половины всех синтетических камней.

Выращивание из растворов

1. Метод флюса. Образование кристаллов происходит либо при испарении расплава в изотермических условиях, либо при обратном перепаде температур. Таким способом создаются корунд и его окрашенные разновидности, изумруд, александрит.
2. Метод зонной плавки. Синтетические ювелирные камни создаются путем медленного вертикального или горизонтального передвижения расплавленных зон по всей длине нагревателя и последующего роста монокристалла. Этим способом выращиваются корунд, шеелит, иттриево-аллюминиевый гранат, флюорит и александрит.
3. Гидротермальный синтез. Гидротермальные камни создаются при условиях, схожих с натуральными (высокие температуры и колоссальное давление). Имеет большую популярность для выращивания изумрудов, корундов и кварца различных окрасок. При снижении температуры до 180 ˚С создаются идеальные условия для получения малахита.

Кристаллизацию из растворов применяют при выращивании минералов, которые не кристаллизуются из расплава и разлагаются при температурах ниже температуры плавления.

Осаждения из паровой фазы

Технология химического осаждения из паровой фазы CVD впервые была изобретена химиком из Гарварда Роем Гордоном. Она заключается выращивание ювелирных камней в вакуумной камере, в процессе которого самоцвет растёт за счёт осаждения углерода на затравку (маленький фрагмент природного минерала) из водород-углеродной газовой смеси. Этим методом выращиваются алмазы, рубины, сапфиры.

Создание камней-имитаций

Естественная имитация драгоценного камня подразумевает создание минерала из отходов натуральных кристаллов путем их склеивания, прессования, справки, прокаливания.

Для имитации также могут быть использованы:

• легкоплавкое прозрачное стекло;
• керамика;
• фианит;
• пластмасса;
• наноситал. 

Синтез драгоценных камней

Каждый искусственный камень имеет свою собственную историю появления. Расмотрим несколько самоцветов, создание которых навсегда изменило рынок ювелирных изделий.

Искусственные рубины

Первыми синтетическими рубинами были сплавленные между собой части природных минералов, произведенные в конце 19 века в Швейцарии. Их называют женевскими. Именно они вдохновили Огюста Вернейля на создание оригинальной печи с горелкой, в которую помещалась смесь оксидов алюминия. Вещество под воздействием высокой температуры таяло, а его капли образовывали ярко-красные кристаллы. Такая технология позволяла получить рубин в 30 каратов уже спустя 3 часов.

В настоящее время искусственные камни производятся методом Чохальского, зонной плавки, гидротермальным методом и многими другими. Наиболее коммерчески используемой технологией является CVD.

Искусственные сапфиры

Как и рубины, сапфиры относятся к категории корундов и представляют собой оксид алюминия в структуре кристалла. Метод Вернейля, с помощью которого в 1910 году были получены первые сапфиры, применяется все реже из-за высокого процента некачественной продукции.

На сегодня, самым востребованным способом изготовления сапфира является гидротермальный. Он довольно сложный, но при этом позволяет улучшить цвет, прозрачность и прочность камня. Скорость кристаллизации самоцвета составляет четыре миллиметра в час. Чаще всего выращивается крупный камень, который впоследствии разрезается на кусочки и ограняется. Изначально сапфиры получаются бесцветные. Для окрашивания их пропитывают красителями и применяют диффузионную обработку в сочетании с высокой температурой.

Так же как и рубины, сапфиры могут выращиваться из расплавов, из растворов, а также осаждаться из паровой фазы (CVD).

Синтетические изумруды

Искусственные изумруды впервые начали производить в 1928 году во Франкфурте фирмой «ИГ-Фарбениндустри». Затем производство камней наладили во Франции и в России.

Основным методом получения искусственных изумрудов является гидротермальный, при котором создаются естественные условия для выращивания камня. В качестве сырья применяют берилл. Весь процесс длится 4 недели.

Свой цвет синтетический изумруд приобретает с помощью примесей – хрома и ванадия. Улучшить цветовую насыщенность и чистоту удается за счет облучения, термической обработки, пропитки специальными маслами, воском, эпоксидной смолой.

Синтетические александриты

Первые попытки синтезировать александрит были проведены во второй половине 19 века и сводились к плавлению оксидов алюминия и бериллия. Но полученные кристаллы были мельчайшими и содержали многочисленные включения флюса.

В середине XX века на базе Массачутетского технологического института ученые Е. Фаррел и Дж. Фанг начали выращивать синтетические александриты методом «из раствора в расплаве». Однако величина образованных кристаллов достигала всего лишь 1-2 мм. Увеличить размер камней до 4 см, применяя этот же метод, удалось в лаборатории фирмы «Белл» учеными В.Боннеру и Л. Ван-Эйтерту.

Производство александрита методом флюса впервые осуществилось в 1964 году в США, а через 8 лет достигло промышленных масштабов. Наиболее крупные кристаллы (до 120 мм длиной и до 40 мм в диаметре) удается получить только методом Чохральского, который впервые был применен в 1970 году.

Культивированный жемчуг

Первые попытки вырастить жемчуг относят еще Китаю XIII века. Но технология создания культивированного жемчуга — полноценная заслуга Японии. В 1893 году Кокичи Микимото презентовал первую круглую бусину, выращенную человеком в природных условиях. К 1935 году в Японии насчитывалось 350 жемчужных ферм, производящих 10 миллионов культивированных бусин в год.

Для получения культивированного жемчуга в раковину подкладывают инородный предмет (бусины), после чего отпускают в море или реку на специальной сетке. Процесс обрастания бусины перламутром занимает до 7 лет, при условии, что моллюск не отвергнет инородный предмет.

Каталог серег с жемчугом имеет внушительный выбор драгоценностей, также в ювелирнх магазинах в наличии кольца, браслеты, подвески с жемчужными вставками.

Синтетические алмазы

15 сентября 1953 года в установке, сконструированной шведским ученым Бальцаром фон Платеном, были получены первые в мире искусственные алмазы.

На сегодня, эти драгоценные камни синтезируются такими методами:

• НРНТ — метод создания камней при колоссальных термобарических параметрах (температура выше 1500˚С, давление выше 5000 МПа).
• CVD – технология синтеза при низком давлении,
• С помощью ультразвука. Это инновационный метод, который демонстрируется в основном в лабораторных условиях и пока не получил промышленного воплощения.

Фианиты

Фианиты – это кристаллы диоксида циркония, которые внешне похожи на бриллианты, но совершенно различны с точки зрения химического состава. Технология их выращивания была разработана в 1968 г. в Советском Союзе учеными ФИАН (Физического института им. Лебедева). Они, как и бриллианты, обладают практически одинаковым коэффициентом преломления, поэтому при прохождении сквозь них света они ярко сверкают и переливаются.

Изготавливаются фианиты тигельным методом, при котором порошок диоксида циркония расплавляется при помощи энергии, вырабатываемой высокочастотным генератором. В расплавленном состоянии вещество находится в течение нескольких часов, затем температура постепенно снижается. Кристаллизирующийся расплав становится фианитом. Окраска камней производится при помощи добавления в расплав различных веществ.

Разница между натуральными и синтетическими камнями

Как отличить синтетический камень от естественного, добытого из недр земли? Самостоятельно определить точное происхождение камня невозможно, и это факт. Технология выращивания кристаллов теперь настолько хорошо разработана, что даже геммологу (специалисту по камням) иногда бывает трудно определить, синтетические камни в ювелирных изделиях или натуральные. Что уже говорить о людях без профильного образования.

Но есть несколько способов, который могут подсказать историю происхождения камня:

1. Визуальный осмотр. Большинство натуральных камней (аквамарин, бирюза, гранат, рубин, сапфир, изумруд) имеют неровную поверхность с множеством вкраплений, трещин, пузырьков и полостей. Определить их можно путем осмотра камня через лупу. Синтетические камни, как правило, идеально ровные.
2. Проверка светом. Под воздействием источника света натуральные камни меняют цвет. К примеру, александрит проявляет фиолетовый или слегка желтый оттенок.
3. Проверка теплопроводности. Натуральные камни могут сохранять прохладу, даже находясь в теплой руке. Такие свойства проявляют аметист, алмаз, горный хрусталь, рубин, обсидиан.
4. Проверка стеклом. Природные минералы, показатели твердости которых больше 7, при проведении по стеклу могут оставить царапину. Это турмалин, гранат, кварц и алмаз. Но перед проведением такой проверки нужно точно удостовериться в твердости материала, так как минералы с меньшей твердостью не только не оставят царапин на стекле, но и сами повредятся.
5. Воздействие УФ-лучами. Натуральные камни под воздействием УФ- лучей меняют цвет. Аметист полностью обесцвечивается, изумруд дает коричневый ореол, александрит – слабо темно-красный цвет.
6. Испытание водой. После погружения в воду некоторые синтезированные камни изменят цвет воды, свою форму и характеристики. К примеру, искусственные гранаты в кипящей воде уменьшатся/увеличатся, меняют цвет или вовсе растворяются. А некачественная подделка лазурита слегка изменят цвет жидкости.

Но не стоит делать вывод о натуральности камня, основываясь только на этих способах проверки. Окончательный вердикт о происхождении кристалла вынесет специалист, который с помощью микроскопа, рефрактометра и других приспособлений сможет точно диагностировать его происхождение.