Штучний камінь: як роблять синтетичні камені і імітації

Популярність ювелірних виробів зі вставками з дорогоцінних каменів зростає з кожним роком. Але видобуток природних мінералів з надр – процес трудомісткий і вимагає великих затрат часу, що може привести до виникнення їх дефіциту. Покрити нестачу кристалів допомагають штучні камені, які мають аналогічну кристалічну решітку і зовнішній вигляд, що і натуральні прототипи. До того ж для їх появи не потрібно втручатися в природне середовище і створювати «місячні ландшафти» в місцях розробок.

Штучний камінь – це мінерал, створений в лабораторних умовах і якому притаманні всі фізико-хімічні та оптичні властивості природного прототипу. Вони не є підробками, оскільки умови їх створення повністю імітують природні. Тільки внаслідок сучасних технологій і створення спеціальних факторів цей процес відбувається набагато швидше.

Штучно вирощені ювелірні камені мають ряд переваг перед натуральними:

• неймовірна чистота, відсутність тріщин, високі оптичні властивості;
• можливість створити камінь із заданими параметрами і ідеальним огранюванням;
• зручність в носінні. Синтетичні мінерали не реагують на жирне середовище, не тьмяніють від контакту з тілом;
• порівняно низька ціна штучного каменю, що робить світ прикрас доступним для широкого кола людей.

В умовах лабораторії також створюються синтетичні вставки, які не мають своїх прототипів в природному середовищі. Йдеться про фіаніти, кристали Swarovski, ситали, сапфірове скло, ітриєво-аллюмінієві гранати та гадоліній-галієві гранати. Існує ще один тип штучного ювелірного каменю – камінь-імітація. Такі синтетичні дорогоцінні камені повторюють зовнішній вигляд природних мінералів, але мають різну кристалічну решітку і, відповідно, різні властивості.

Історія появи синтезованих ювелірних каменів

У природних умовах кристали утворюються в глибині земної кори при високих температурах і під колосальним тиском в сотні тисяч атмосфер. І щоб синтезувати аналог природних мінералів, вченим необхідно було штучно створити такі ж умови. Отримати настільки високі температури й тиск стало можливим тільки в кінці 19 століття. Це зробив французький вчений – хімік Огюст Віктор Луї Вернейль, який в 1892 році створив унікальну технологію й устаткування, що дозволяли за лічені години вирощувати кристали рубіну масою до 30 каратів. Через 18 років за цією технологією були отримані штучні сапфіри, причому не тільки синього кольору, але і безбарвні, жовті, зелені й рожеві. За три роки обсяг сапфірів, створених в лабораторії, збільшився до 6 млн карат.

Штучні смарагди були вперше створені в 1935 році, і довгий час проводилися тільки в лабораторії хіміка з Сан-Франциско Керола Четем. У 1948 ця технологія була застосована і для рутилу.

В кінці двадцятого століття вченим із США вдалося вперше отримати штучні олександрити, які неможливо було відрізнити від натуральних. Незабаром були розроблені унікальні синтезовані ювелірні камені, які мають прототипів в природному середовищі – фіаніти, ітриєво-аллюмінієві гранати та гадоліній-галієві гранати. Згодом список штучно вирощених каменів поповнився флюоритом, шеєлітом, бірюзою та опалом.

Найбільші труднощі виникли зі штучним діамантом. Вперше камінь синтетичного значення був створений в лабораторії корпорації General Electric в 1954 році. Але наполегливі спроби співробітників цієї лабораторії створити камінь ювелірного значення завершилися успіхом тільки в травні 1970 році. 

Варто відзначити, що процес вирощування діаманта настільки дорогий, що може коштувати до 90% ціни аналогічного за вагою натурального каменю, а то і перевищувати його за собівартістю. Тому вирощувати діаманти ювелірного значення економічно недоцільно.

В ювелірних магазинах представлені гарні каблучки з діамантами, сережки, кольє, а також інші прикраси з цим дорогоцінним каменем. Це ж стосується і кристалів топазу, хризоліта, червоних гранатів. Їх природні аналоги коштують дешевше.

Методи створення штучних каменів

Для синтезу самоцвітів використовуються різні методи. Вони, звичайно ж, відрізняються між собою, але ідея у них спільна – подрібнення низькоякісної натуральної сировини мінералу, стабілізація кольору, розплавлення шихти (сухого порошку) і утворення твердої фази (кристал).

Виходячи з відповідності до фазового стану та складу середовища, ці методи умовно можна розділити на 3 типи:

1. отримані з розплавів;
2. отримані з розчинів;
3. осаджені із парової фази.

Варто відзначити, що багато методів створення штучних мінералів до кінця не відомі громадськості та є комерційною таємницею.

Вирощування з розплаву:

Існують такі методи:

1. Метод Вернейля. Це перший і найбільш масовий в ювелірній історії метод створення кристалів з розплаву шихти, за допомогою якого вдалося отримати рубіни, корунд нехарактерних відтінків, двоколірні і зірчасті сапфіри, рутил, шпінель.
2. Спосіб гарнісажної плавки полягає в з'єднанні розплавленої шихти з твердою фазою з подальшим повільним зниженням температури. Таким способом створюються штучні фіаніти, корунд і сапфіри.
3. Метод Чохральського полягає у "витягуванні" кристала з розплаву. Відповідно до історії, вчений відкрив його зовсім випадково в 1916 році, коли впустив свою ручку в тигель з розплавленим оловом. Витягаючи предмет, він виявив, що слідом за ним тягнеться тонка нитка застиглого олова. Завдяки цьому способу створюються багато мінералів – рубіни, шпінель, сапфіри, гранати, олександрити, шеєлітом і флюорити.

Ці методи дуже часто застосовуються в лабораторіях. З їх допомогою вирощується більша частина всіх синтетичних каменів.

Вирощування з розчинів

1. Метод флюсу. Утворення кристалів відбувається або при випаровуванні розплаву в ізотермічних умовах, або у разі зворотного перепаду температур. Таким способом створюються корунд і його пофарбовані різновиди, смарагд, сапфір, олександрит.
2. Метод зонного плавлення. Синтетичні ювелірні камені створюються шляхом повільного вертикального або горизонтального пересування розплавлених зон по всій довжині нагрівача і подальшого зростання монокристала. Цим способом вирощуються корунд, шеєлит, ітриево-алюмінієвий гранат, флюорит та олександрит.
3. Гідротермальний синтез. Гідротермальні камені створюються за умов, схожих з натуральними (високі температури й колосальний тиск). Має велику популярність для вирощування смарагдів, рубінів і кварцу різних забарвлень. При зниженні температури до 180 ˚С створюються ідеальні умови для отримання малахіту.

Кристалізацію з розчинів застосовують при вирощуванні мінералів, що не кристалізуються з розплаву і розкладаються при температурах нижче температури плавлення.

Осадження з парової фази

Технологія хімічного осадження з парової фази (CVD) вперше була винайдена хіміком з Гарварда Роєм Гордоном. Вона полягає вирощування ювелірних каменів у вакуумній камері, в процесі якого самоцвіт росте за рахунок осадження вуглецю на приманку (маленький фрагмент природного мінералу) з водень-вуглецевої газової суміші. Цим методом вирощуються діаманти, рубіни, сапфіри.

Створення каменів-імітацій

Природна імітація дорогоцінного каменю заключається у створенні мінералу з відходів натуральних кристалів шляхом їх склеювання, пресування, прожарювання.

Для імітації також можуть бути використані:

• легкоплавке прозоре скло;
• кераміка;
• фіаніт;
• пластик;
• наноситал.

Синтез дорогоцінних каменів

Кожен штучний камінь має свою власну історію появи. Розглянемо кілька самоцвітів, створення яких назавжди змінило ринок ювелірних виробів.

Штучні рубіни

Першими синтетичними рубінами були сплавлені між собою частини природних мінералів, вироблені в кінці 19 століття в Швейцарії. Їх називають женевськими. І саме вони надихнули Огюста Вернейля на створення оригінальної печі з пальником, в яку поміщали суміш оксидів алюмінію. Речовина під впливом високої температури танула, а її краплі утворювали яскраво-червоні кристали. Така технологія дозволяла отримати рубін в 30 каратів вже через 3 годин.

Нині синтетичні рубіни виробляються методом Чохальского, зонного плавлення, гідротермальним методом і багатьма іншими. Найбільш комерційною технологією є CVD.

Штучні сапфіри

Як і рубіни, сапфіри належать до категорії корундів і являють собою оксид алюмінію в структурі кристала. Метод Вернейля, за допомогою якого в 1910 році були отримані перші сапфіри, застосовується все рідше через великий відсоток неякісної продукції.

На сьогодні, найбільш популярним способом виготовлення сапфірів є гідротермальний. Він досить складний, але при цьому дозволяє поліпшити колір, прозорість і міцність каменю. Швидкість кристалізації самоцвіту становить чотири міліметри на годину. Найчастіше вирощується великий камінь, який згодом розрізається на шматочки. Спочатку сапфіри виходять безбарвні. Для фарбування їх просочують барвниками та застосовують дифузну обробку в поєднанні з високою температурою.

Так само як і рубіни, сапфіри можуть вирощуватися з розплавів, з розчинів, а також осідати з парової фази (CVD).

Синтетичні смарагди

Штучні смарагди вперше почали виробляти в 1928 році у Франкфурті фірмою «ІГ-Фарбеніндустрі». Потім виробництво каменів налагодили у Франції та в Росії.

Основним методом отримання штучних смарагдів є гідротермальний, при якому створюються природні умови для вирощування каменю. В якості сировини застосовують берил. Весь процес триває 4 тижні.

Свій колір синтетичний смарагд набуває за допомогою домішок - хрому і ванадію. Поліпшити насиченість кольору і чистоту вдається шляхом опромінення, термічної обробки, просочення спеціальними оліями, воском, епоксидною смолою.

Синтетичні олександрити

Перші спроби синтезувати олександрит були проведені у другій половині 19 століття і зводилися до плавлення оксидів алюмінію і берилію. Але отримані кристали були дрібними і містили численні включення флюсу.

В середині XX століття на базі Массачутетского технологічного інституту вчені Е. Фаррел і Дж. Фанг почали вирощувати синтетичні олександрити методом «з розчину в розплаві». Однак величина кристалів досягала всього лише 1-2 мм. Збільшити розмір каменів до 4 см, застосовуючи цей же метод, вдалося в лабораторії фірми «Белл» вченими В.Боннеру і Л. Ван-Ейтерту.

Виробництво олександриту методом флюсу вперше було здійснено в 1964 році в США, а через 8 років досягло промислових масштабів. Найбільші кристали (до 120 мм довжиною і до 40 мм в діаметрі) вдається отримати тільки методом Чохральського, який вперше був застосований в 1970 році.

Культивовані перли

Перші спроби виростити перли відносять ще Китаю XIII століття. Але технологія створення культивованих перлів - повноцінна заслуга Японії. У 1893 році Кокіші Мікімото презентував першу круглу намистину, вирощену людиною в природних умовах. До 1935 року в Японії налічувалося 350 перлинних ферм, які виробляли 10 мільйонів культивованих намистин в рік.

Для отримання культивованих перлів в раковину підкладають чужорідний предмет (намистини), після чого відпускають в море або річку на спеціальній сітці. Процес обростання намистини перламутром займає до 7 років, за умови, що молюск не відкине чужорідний предмет.

Каталог сережок з перлами має значний вибір коштовностей, також в ювелірнх магазинах в наявності кільця, браслети, підвіски з перловими вставками.

Синтетичні алмази

15 вересня 1953 року в установці, сконструйованій шведським вченим Бальцарі фон Платеном, були отримані перші у світі штучні алмази.

На сьогодні, ці дорогоцінні камені синтезуються такими методами:

• НРНТ - метод створення каменів при колосальних термобаричних параметрах (температура вище 1500˚С, тиск вище 5000 МПа).
  
• CVD - технологія синтезу при низькому тиску.
• За допомогою ультразвуку. Це інноваційний метод, який демонструється в основному в лабораторних умовах і поки не отримав промислового втілення.

Фіаніти

Фіаніти - це кристали діоксиду цирконію, які зовні схожі на діаманти, але зовсім різні з точки зору хімічного складу. Технологія їх вирощування була розроблена у 1968 році в Радянському Союзі ученими ФІАН (Фізичного інституту ім. Лебедєва). Фіаніти, як і діаманти, мають практично однаковий коефіцієнт заломлення, тому при проходженні крізь них світла вони яскраво виблискують і переливаються.

Виготовляються фіаніти тигельним методом, при якому порошок діоксиду цирконію розплавляється за допомогою енергії, що виробляється високочастотним генератором. У розплавленому стані речовина знаходиться протягом декількох годин, потім температура поступово знижується. Кристалізований розплав стає фіанітом. Забарвлення каменів проводиться за допомогою додавання в розплав різних речовин.

Різниця між натуральними та синтетичними каменями

Як відрізнити штучний камінь від природного, видобутого з надр землі? Самостійно визначити точне походження каменю неможливо, і це факт. Технологія вирощування кристалів тепер настільки добре розроблена, що навіть гемологу (фахівця по камінню) іноді буває важко визначити, синтетичні камені в ювелірних виробах чи натуральні. Що вже говорити про людей без профільної освіти.

Але є кілька способів, що можуть підказати історію походження каменю:

1. Візуальний огляд. Більшість натуральних каменів (аквамарин, бірюза, гранат, рубін, сапфір, смарагд) мають нерівну поверхню з безліччю вкраплень, тріщин, бульбашок і порожнин. Визначити їх можна шляхом огляду каменю через лупу. Синтетичні камені, як правило, ідеально рівні.
2. Перевірка світлом. Під впливом джерела світла натуральні камені змінюють колір. Наприклад, олександрит проявляє фіолетовий або злегка жовтий відтінок.
3. Перевірка теплопровідності. Натуральні камені можуть зберігати прохолоду, навіть перебуваючи в теплій руці. Такі властивості проявляють аметист, алмаз, гірський кришталь, рубін, обсидіан.
4. Перевірка склом. Природні мінерали, показники твердості яких більше ніж 7, при проведенні по склу можуть залишити подряпину. Це турмалін, гранат, кварц і діамант. Але перед проведенням такої перевірки потрібно точно упевнитися у твердості матеріалу, оскільки мінерали з меншою твердістю не тільки не залишать подряпин на склі, а й самі пошкодяться.
5. Вплив УФ-променів. Натуральні камені під впливом УФ-променів змінюють колір. Аметист повністю знебарвлюється, смарагд дає коричневий ореол, олександрит – слабо темно-червоний колір.
6. Випробування водою. Після занурення в воду деякі синтезовані камені змінять колір води, свою форму і характеристики. Наприклад, штучні гранати в киплячій воді зменшаться / збільшаться, змінять колір або зовсім розчиняться. А неякісна підробка лазуриту злегка змінять колір рідини.

Але не варто робити висновок про натуральність каменю, ґрунтуючись тільки на цих методах перевірки. Остаточний вердикт про походження кристалу винесе фахівець, який за допомогою мікроскопа, рефрактометра і інших приладів зможе точно діагностувати його походження.