Реферат. Искусственные драгоценные камни. 2010

Качайте бесплатно!


В наше время натуральные драгоценные и поделочные камни приобрели еще большую ценность в связи с тем, что их природные ресурсы катастрофически истощаются. Спрос на драгоценные и поделочные камни неудержимо растет во всех странах мира, цены на них быстро повышаются, и поэтому понятно стремление человека научиться получать такие камни искусственным путем. Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия сделало это желание вполне реальным.
Известный английский специалист по синтезу драгоценных камней Д-р Деннис Элуэлл, автор предлагаемой читателю книги, вводит нас в мир новой науки — геммологии, науки о драгоценных камнях, которую можно считать самостоятельной ветвью минералогии. Более того, сама эта новая наука уже разделилась на два четко оформившихся направления, одно из которых охватывает всестороннее изучение свойств природных драгоценных камней и условий их образования, а другое — искусственное получение драгоценных камней, свойства которых максимально приближались бы к свойствам их природных аналогов.
Химический состав и физические свойства синтетического минерала и его природного аналога практически одинаковы. Только еле уловимые особенности структуры или небольшие отличия в свойствах позволяют различить искусственный аналог и природный драгоценный камень. Во всем мире методы их различения едва успевают за прогрессом в изготовлении синтетических камней.
Первые попытки получить искусственный рубин из природного корунда относятся к 1883, однако существенный прорыв в области синтеза драгоценных камней произошел в 1902, когда французский химик О.Вернейль разработал способ получения синтетических рубинов. Метод Вернейля до сих пор применяется для производства синтетических корундов (рубина и сапфира) и шпинели. Они идут не только на изготовление украшений, но и на часовые камни, опоры измерительных приборов и другие технические цели.
Исходная шихта – прокаленные квасцы или порошок глинозема и красящий агент – подаются в перевернутую кислородно-водородную горелку. Тонкозернистый порошок плавится и накапливается на грушевидном кристалле с округлым верхом, который называется булей. Этим методом получают относительно недорогой синтетический рубин (окрашенный оксидом хрома) и сапфир (окрашенный различными оксидами титана и железа) в Швейцарии, Франции, Германии, США и России. Производят также синтетические звездчатые рубины и сапфиры. Шестилучевые звезды получают путем введения избытка оксида титана, который при понижении температуры выделяется в виде ориентированных иголочек рутила. Эти иголочки в отражают свет таким образом, что возникает эффект астеризма. Выпускаются также рубиновые цилиндрические стержни, что делает опорные камни для часов и приборостроения более дешевыми. Рубиновые стержни послужили материалом для первых твердотельных лазеров.
При попытке синтезировать в лаборатории синий сапфир Вернейль для более равномерного распределения кобальтово-синей окраски добавил в исходное сырье магний. Однако при этом вместо корунда получилась синяя синтетическая шпинель. Були обоих соединений производят в промышленных масштабах и придают им самые разнообразные привлекательные окраски. В печи Вернейля можно также изготовить синтетический рутил и синтетический титанат стронция – материал с качествами драгоценного камня, практически не имеющий природного аналога. Эти вещества соперничают или даже превосходят по блеску алмаз, но уступают в твердости. В качестве имитации алмаза успешно используют также гранатиты (искусственные кристаллы редкоземельных элементов со структурой граната), ниобат лития (линобат) и, наконец, самый лучший заменитель алмаза фианит – кубический диоксид циркония, впервые полученный в Физическом институте АН СССР (ФИАНе).
Попытки синтеза изумруда в Европе были предприняты еще в 1880-х годах, однако вплоть до 1935 монополистом в этой области был К.Чэтем из Сан-Франциско, который использовал процесс гидротермального выращивания кристаллов изумруда на затравках из природных бериллов. Высококачественные изумруды в настоящее время выращивают и в России.
В 1955 ученые компании «Дженерал электрик» синтезировали мелкие технические алмазы, а в 1970 Г.Стронг и Р.Уэнторф из той же компании синтезировали алмазы ювелирного качества массой более одного карата в условиях очень высоких температур и давлений. В аппарат для синтеза в качестве катализатора, ускоряющего рост алмазов, вводились железо или никель. На Украине и в России производство технических алмазов осуществляется в промышленных масштабах.
Другие минералы, например кварц, синтезируются в больших количествах и используются не столько в ювелирном деле, сколько в технике. Кварц, например, применяется для стабилизации длин радиоволн и частоты колебаний на линиях телефонной связи и в радарах.
Для подделки драгоценных камней в основном используют стекло, напоминающее при беглом взгляде драгоценные камни, но отличающееся от них по физическим свойствам. Для изготовления фальшивых бриллиантов используются металлическая фольга или покрытия из ртути либо пигмента. Подделки янтаря и гагата изготавливают из пластмассы, а бирюзы – из фарфора. Инталии из нержавеющей стали несколько напоминают подлинные, вырезанные на гематите, но поверхность изображений у них совершенно гладкая, в отличие от резкого углубленного рельефа гравировки, выполненной вручную.
Первые синтетические камни появились в 19 веке. Это были рубины. Позже научились искусственно выращивать изумруды, шпинель, кварц. Получить синтетическим путем алмазы также возможно, но пока стоят они дороже, чем природные.
2 – облагороженные камни. Это природные самоцветы, внешний вид которых улучшен искусственным путем. Для этого камни окрашивают (агат, халцедон), обесцвечивают путем нагрева (дымчатый кварц, сапфиры), облучают для получения более насыщенного оттенка (алмазы), пропитывают специальным составом для улучшения их характеристик (бирюза).
Поверхность изумрудов, сапфиров, рубинов натирают бесцветным или окрашенным маслом. Это скрывает микроскопические трещины и придает камням особый блеск. Более глубокие трещины маскируют эпоксидной смолой или стеклом.
3 – составные камни (дуплеты, триплеты). Представляют собой камни, склеенные их двух или трех частей. Чаще всего таким образом укрепляют мягкие минералы, наклеивая их на более прочную основу. Некоторые камни делают более прочными путем нанесения на их поверхность слоя прозрачного кварца. Дуплет может состоять из двух половинок одного самоцвета, склеенных для повышения его стоимости.
Триплеты представляют собой два прозрачных камня, наклеенных с разных сторон на цветную основу. Основой этой может служить настоящий камень, стекло или просто слой краски. Такие подделки боятся горячей воды и спирта. Чтобы распознать подделку, необходимо посмотреть на «камень» сбоку или погрузив его в жидкость.
4 – культивированный жемчуг. С тех пор, как секрет выращивания этого камня был открыт в Китае семь веков назад, человек не желает рисковать жизнью, ныряя на большую глубину за морскими раковинами. Существуют целые морские фермы, на которых выращивают жемчуг, помещая инородные предметы в раковины моллюсков. В Японии вместо песчинки в створку моллюска помещают кусочек мантии другого моллюска. Жемчужины при этом растут гораздо быстрее. Кроме того, после извлечения жемчужины, раковину можно снова пускать в дело.
5 – имитации – подделки драгоценных камней, лишь внешне напоминающие оригинал. Изготавливаются из секла, шлака, пластмассы.
В настоящее время, когда на рынке все чаще встречаются ювелирные изделия с синтетическими камнями, остро встает вопрос их идентификации и отличия от природных камней. В связи с этим возрастает роль геммологических лабораторий, так как диагностика синтетических ювелирных материалов под силу лишь специалистам-геммологам.
Почему важно отличать природные камни от синтетических? Одним из атрибутов драгоценного камня является его редкость. Чистые бездефектные камни в природе редки, поэтому их стоимость иногда достигает очень высокого уровня. Синтетические же ювелирные камни практически всегда обладают более высокими качественными характеристиками по сравнению с природными камнями, но стоят значительно меньше, чем лучшие природные камни. Сравним, к примеру, стоимость природного рубина со стоимостью синтетического: бездефектный хорошего цвета природный рубин весом 5-10 карат может стоить несколько тысяч долларов за карат, а синтетический рубин такого же размера стоит всего несколько долларов за целый камень. Если покупатели дорого камня не будут уверены в его природном происхождении, это подорвет спрос на товар подобного рода, что, естественно, будет иметь негативные последствия для рынка. Таким образом, способность геммологических лабораторий надежно отличать природные камни от синтетических является гарантом стабильности ювелирного рынка, а также способствует сохранению спроса на дорогие природные камни.
Какие из признаков природных и синтетических камней позволяют отличить их друг от друга? В природе на образование драгоценного камня уходит несколько десятков, а то и сотен тысяч лет. В лаборатории рост может длиться от нескольких часов до (максимум) нескольких месяцев. Также в лаборатории невозможно воссоздать процесс, полностью повторяющий природный, поэтому логичным кажется предположить, что в любом кристалле искусственного происхождения можно обнаружить признаки, обусловленные условиями его роста, которые будут отличать его от природного камня. Естественно, что для кристаллов, полученных разными методами синтеза, такие свойства могут отличаться. Выделение подобных признаков в общем случае является неочевидным и требует научного подхода. Поэтому одним из направлений деятельности современных геммологических лабораторий является исследование синтетических и природных кристаллов и выявление на научной основе критериев их идентификации.
На какие признаки обращают внимание геммологи при диагностике происхождения камня? Прежде всего, это внутренние особенности камня, такие как включения, зональность (распределение окраски), микроструктуры роста, для наблюдения которых применяется лупа или микроскоп. Несколько десятков лет назад для диагностики синтетических ювелирных камней экспертам-геммологам достаточно было лишь стандартного геммологического оборудования, включающего в себя лупу, полярископ, дихроскоп и ультрафиолетовую лампу. В настоящее время, когда технологии синтеза постоянно совершенствуются, работать экспертам становится все сложнее и сложнее; зачастую стандартного геммологического оборудования недостаточно для однозначной диагностики, поэтому приходится прибегать к помощи более сложных лабораторных методов (например, оптической и люминесцентной спектроскопии). Основным требованием, предъявляемым к методам идентификации камней, является их неразрушающее воздействие на исследуемый образец.
В настоящее время на рынке представлено большое разнообразие синтетических камней. Обо всех рассказать в рамках данной статьи невозможно, поэтому подробнее остановимся только на некоторых из них.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ АЛМАЗЫ. В последнее десятилетие достигнуты большие успехи в области синтеза ювелирных алмазов. Современные технологии позволяют получать кристаллы алмаза ювелирного качества весом до 10-15 карат. В связи с этим на рынке возросла вероятность появления ювелирных изделий с синтетическими алмазами. В ряде случаев можно различить природный и синтетический алмаз, применяя стандартное геммологическое оборудование. Так, например, включения минералов свидетельствуют о природном происхождении, в то время как включения металлов (железа, никеля, марганца) — о синтетическом. Для синтетических алмазов также характерно неравномерное зонально-секториальное распределение флюоресценции в ультрафиолетовом свете (нередко можно наблюдать крестообразные фигуры УФ-флюоресценции), напротив, для природных алмазов характерно равномерное или незакономерное распределение УФ-свечения. Однако в некоторых случаях требуется применение более сложных методов исследования вещества, таких как цветная и спектральная катодолюминесценция, спектроскопия в видимой и ИК-области, а также — люминесцентная спектроскопия.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ РУБИНЫ И САПФИРЫ. Сегодня на рынке драгоценных камней представлено множество синтетических рубинов и сапфиров, выращенных различными методами синтеза, для каждого из которых известны свои отличительные особенности. Так, большинство синтетических рубинов и сапфиров, встречающихся на рынке, получено методов Вернейля, отличительными чертами этих камней являются криволинейная зональность (которая не наблюдается в природных камнях), иногда в них встречаются включения газовых пузырьков. Для вернейлевских синтетических рубинов характерна очень сильная красная УФ-флюоресценция.
Рубины и сапфиры, выращенные флюсовым и гидротермальным методами синтеза, являются наиболее сложными объектами для диагностики. Однако в большинстве случаев отличить их возможно с помощью лупы или микроскопа: для флюсовых рубинов и сапфиров характерны включения флюса и материалов ростовой камеры (тигля) - платины, золота и меди, а отличительной особенностью гидротермальных корундов являются нe правильные микроструктуры роста.
СИНТЕТИЧЕСКИЙ ИЗУМРУД. В последнее десятилетие, помимо большого количества гидротермальных рубинов и сапфиров, большинство синтетических изумрудов также получены этим методом и производятся в России и в Китае. Для таких изумрудов характерны трубчатые включения (рис. 5), коричневатые включения оксидов железа, а также ростовая и цветовая зональность. В некоторых случаях в кристаллах синтетического изумруда могут отсутствовать перечисленные характеристики, тогда для их диагностики применяется метод ИК-спектроскопии.
СИНТЕТИЧЕСКИЙ КВАРЦ. Наиболее важной разновидностью синтетического кварца, встречающейся на рынке, является аметист, полученный гидротермальным методом. Этот ювелирный материал широко используется в торговле главным образом из-за сильной схожести со своим природным аналогом и трудности их отличия. Хотя включения и характерные структуры двойникования иногда позволяют отличить природные и синтетические аметисты, но в большинстве случаев однозначная диагностика возможна только с применением сложных спектральных методов исследования.
Другой важной разновидностью синтетического кварца является аметрин, производство которого гидротермальным методом на коммерческой основе началось в 1994 г. Синтетический аметрин можно определить по ряду признаков, включающих зональность окраски и структуру двойникования. Также для диагностики применяются методы определения химического состава примесей и ИК-спектроскопия.
Технологии синтеза постоянно совершенствуются, однако и развитие методов геммологической диагностики также не стоит на месте. В некоторых случаях ситуация напоминает соревнование: с одной стороны, производители синтетических камней пытаются сделать их максимально похожими на природные, а с другой - геммологи разрабатывают новые методы идентификации, позволяющие отличить природные камни от синтетических.
Изготовление материала, превосходящего твердостью природный алмаз, многие годы было целью материаловедов. Как сообщает NTR.Ru, группа специалистов из Геофизической лаборатории Института Карнеги создала крупные алмазы (сравнимые с ювелирными по размеру), которые по твердости превосходят другие кристаллы. Причем исследователи вырастили кристаллы непосредственно из газовой смеси в сто раз быстрее, чем это возможно с помощью других современных методов.
Крупные кристаллы вырастили всего за один день. Причем алмазы оказались настолько прочными, что сломали измерительное оборудование. Исследователи создали кристаллы с помощью высокоскоростного химического осаждения пара - нового процесса, разработанного ими же. Затем они подвергли их высокотемпературной обработке под высоким давлением, чтобы сделать более крепкими.
Были выращены кристаллы диаметром до 10 миллиметров и толщиной до 4.5 миллиметров. Они оказались на 50% тверже обычных алмазов.