3.6. синтетичні ювелірні камені

Дорогоцінні камені здавна були предметом підробок та імітацій, однак тільки наприкінці XIX ст. досягнення хімії, фізики і технологій дозволили створити синтетичні дорогоцінні камені, що майже не відрізняються за своїми властивостями від природних каменів, а іноді переважають їх. У Давньому Римі як імітації масово використовували скло. Пліній Старший писав, що «під рубіни підробляють скло так само, як і під інші дорогоцінні камені». Він же описав тришаровий матеріал сардонікс, який називали ще триплетом. Цей свого роду штучний мінерал виготовляли, склеюючи з трьох шарів — чорного, білого і червоного. Пізніше почали використовувати дуплети, що складалися з двох різних каменів: згори дорогоцінний, а під ним знизу — більш дешевий.

У 1758 р. австралійський хімік Йозеф Штрасс розробив спосіб виготовлення скла, яке було чистим, безбарвним і з високим показником заломлення. Це скло чудово гранувалося, шліфувалося, і після огранювання нагадувало діаманти. Такий штучний камінь називали «стразом».

Але справжній переворот в одержанні синтетичних дорогоцінних каменів було зроблений французьким хіміком М. А. Вернейлем, який у 1892 р. розробив спосіб одержання синтетичного рубіну.

У наш час створення синтетичних дорогоцінних каменів здійснюється по двох напрямках:

- створення аналогів природних ювелірних каменів;

- створення ювелірних каменів, які не мають аналогів у природі. Одержують синтетичні камені різними методами, серед яких виділяються:

- метод Вернейля (з 1905 р. — для рубінів і шпінелі, з 1910 р. — для сапфірів);

- метод Чохральского (з 1958 р. — для ІАГ; з 1975 р. — для ГГГ, хризоберилів);

- метод зонної плавки (синтез ІАГ, корундів та ін.);

- метод прямого високочастотного плавлення в холодному контейнері (для одержання фіаніту);

- гідротермальний метод (для одержання малахіту);

- флюсовий метод ( для одержання алмазу, смарагду тощо).

Синтетичні корунди. Хімічна формула — Al3O4. Сировиною для синтезу корундів (сапфірів і рубінів) служить тонкоподрібнений порошок оксиду алюмінію.

Синтетичний рубін на практиці вперше було створено у 1905 р. Для одержання рубіну до оксиду алюмінію додають 0,7—2\% оксиду хрому, для синтетичного сапфіру — оксид заліза і титану; для жовтого корунду — оксид нікелю; для зеленого корунду — оксид кобальту; для псевдоолександриту — оксид ванадію.

З 1947 р. розпочато промислове виробництво «зірчастих» сапфірів, для одержання яких додають 0,35\% оксиду титану.

В СРСР вирощування синтетичних корундів розпочалося у 20-х рр. У наш час в Інституті кристалографії АН РФ розроблені і використовуються нові методи, у результаті чого одержують кристали абсолютно різних форм. На приладах «Сапфір–1м» і «Сапфір–2м» можна вирощувати кристали лейкосапфірів у вигляді пластин великих розмірів (масою понад 4 кг), освоєно промислове виробництво ювелірних і технічних корундів. За даними досліджень, синтетичні корунди за основними фізичними властивостями дуже близькі до природних. Щільність синтетичних корундів — 3,992 г/см3, показник заломлення — 1,763—1,768.

Діагностичні ознаки синтетичних корундів:

– специфічні включення різного розміру і форми — плями, смуги, «хмари»;

– криволінійний розподіл барвника;

– наявність звилин.

Синтетична шпінель. Синтезується методом М. Вернейля, має твердість 8, щільність — 3,59—3,61 г/см3, показник заломлення 1,722—1,727. В ультрафіолетових променях інертна (рожева) або люмінесціює:

- безбарвна — білуватим;

- блакитна — червоним, блакитнувато-білим, помаранчевим;

- жовта — світло-зеленим;

- зелена — червоним, молочно-білим кольором.

Синтетичною шпінеллю імітують природну шпінель, алмаз, сапфір, рубін, смарагд, аквамарин, гранати, топази, місячний камінь і т.д.

Під мікроскопом шпінель синтетична не має включень, іноді в ній спостерігаються овально-витягнуті бульбашки газу.

Синтетичний смарагд. Уперше синтезований у 1848 р. у Франції. У 60-і рр. ХIХ ст. з'явилися смарагди, вирощені однією французькою фірмою. У 1965 р. в Америці було виготовлено 200 тис. каратів, що призвело навіть до виникнення проблем збуту.

У наш час синтетичні смарагди виробляють у Росії, США, Франції, Швейцарії, Німеччині, Японії та інших країнах. Відомі синтетичні смарагди Австралії, що являють собою берили зі смарагдовим покриттям товщиною 0,3 мм. Їх колір блідо-зелений.

Ідентифікують зануренням у рідину, після чого в поверхневому шарі з'являється тонкий інтенсивно-зелений ободок.

Синтетичні смарагди мають щільність 2,64—2,65 г/см3, для них характерні червоний колір під фільтром Челсі та в ультрафіолетових променях, наявність включень флюсу і типових вуалеподібних тріщин, відсутність в інфрачервоних променях смуг поглинання води.

Титанат стронцію (фабуліт). Довгі роки використовувався як краща імітація діаманта (до одержання фіаніту). Фабуліт цілком безбарвний, показник заломлення аналогічний алмазові. Дисперсія у фабуліту на 0,20 більше, ніж у алмазів, що забезпечує красиву гру світла, але твердість фабуліту — лише 5,55—6,0. У зв'язку з цим його доцільно використовувати як вставки в кулонах, сергах, брошках, але не в кільцях.

Промисловий випуск фабуліту здійснює фірма «Національ Лед енд Ко», США.

Ітрій-алюмінієвий гранат (ІАГ) — це синтетичне кристалічне з'єднання, що має структуру граната. ІАГ має у складі рідкоземельні елементи, внаслідок чого може набувати різноманітного забарвлення: зеленого, жовтого, бузкового, рожевого та ін. Твердість його становить 8,5, щільність — 4,57—6,69 г/см3, показник заломлення — 1,832—1,873, дисперсія — 0,028 (як і в алмазу).

В ультрафіолетових променях інертний або люмінесціює білим, рожевим, бузковим, жовтим світінням.

Гадоліній-галієвий гранат (ГГГ) — безбарвний кристал, широко використовується як імітація діамантів. Він має високі, близькі до алмазу, показники заломлення (2,02—2,03) і дисперсії (0,038). Твердість — 6,0—6,5, щільність — 7,05 г/см3. В ультрафіолетових променях інертний або світиться слабким рожевим або фіолетовим кольором. ІАГ та ГГГ вирощують методом горизонтально спрямованої кристалізації, з 1969 р. широко використовуються в ювелірній справі.

Фіаніт. Протягом 1970—1972 рр. Фізичний інститут АН СРСР розробив спосіб виготовлення нового синтетичного матеріалу на основі оксиду цирконію і гафнію. Назву матеріалу утворено від початкових літер назви наукової установи-розробника (ФІАН).

Фіаніт має температуру плавлення 2600—2750°С, твердість — 8, щільність — 5,5—5,9 г/см3, показник заломлення наближений до алмазу — 2,15—2,18, дисперсія — 0,059—0,065.

За хімічним складом фіаніт — це оксид цирконію, стабілізований домішками рідкоземельних елементів (ербію, церію, неодиму, ванадію), а також хрому, заліза. Процес кристалізації відбувається на спеціальних запалах при охолодженні розплаву. Швидкість утворення кристалів — 8—10 мм/год, технологія дозволяє одержувати кристали фіаніту масою до 250 г.

Невелика кількість домішок перерахованих вище елементів можуть надавати в цілому прозорому фіаніту червоного, рожевого, фіолетового, блакитного, жовтого, білого та інших відтінків забарвлення (крім зеленого, смарагдового).

За розмаїтістю кольорової гами фіаніт може суперничати з аметистом, цирконом, гранатом.

Високий показник заломлення і висока дисперсія створюють особливу гру світла.

Залежно від домішок в ультрафіолетових променях фіаніт може люмінесціювати світінням блакитного, жовтого, фіолетового та інших кольорів.

Фіаніт складний в обробці, легко розтріскується і кришиться. Як наслідок, від загальної кількості сировини після ограновування маса готових виробів не перевищує 15\%. Грані виробів із фіаніту дещо заовалені, що є додатковою ознакою їх відмінності від справжніх алмазних діамантів.

Синтетичний алмаз. У 1938 р. російський фізик О. І. Ляпуновський здійснив теоретичний аналіз умов утворення алмазу з графіту і визначив зони стабільного існування алмазів.

У лютому 1953 р. групі фізиків шведської енергетичної компанії АSEА вдалося одержати перші у світі штучні алмази. У грудні 1954 р. вчені фірми «Дженерал Електрик енд К°» створили штучні алмази розміром 0,8 мм. Після цього синтез алмазів було організовано у Бельгії, Великобританії, Японії та інших країнах.

У 1961 р. в Інституті надтвердих матеріалів АН УРСР у Києві була відпрацьована промислова технологія синтезу алмазів. Якщо реакція тривала 3 хв, утворювалися кристали масою близько 10 мг, а в умовах тривалості реакції протягом 30 хв — 70 мг, причому розмір кристалів становив 0,5—0,8 мм.

З 1961 р. у США, Росії, Україні застосовується також вибуховий метод одержання синтетичних алмазів. У наш час щорічне виробництво синтетичних алмазів становить понад 200 млн кар. на рік (без країн колишнього СРСР). Основні центри: США («Дженерал Електрик енд К°»), ПАР («Де Бірс»), Японія, Велика Британія.

У Росії та Україні виробляють синтетичні алмази наступних видів: АСО — алмази звичайної міцності; АСР — алмази підвищеної міцності; АСВ — алмази високої міцності. Розміри цих алмазів — 0,04—0,63 мм.

Синтетичний олександрит. Уперше був синтезований у 1972 р. у США. Зараз вирощується в ряді країн методами з розчину в розплаві та гідротермальним методом. За своїми властивостями наближається до природного. При ідентифікації спостерігаються газові включення, дактилоскопічні структури (звилини).

Синтетична бірюза. Перші повідомлення про синтетичну бірюзу відносяться до 1927 р. Але тільки у 1972 р. П’єр Жильсон синтезував бірюзу, яка є максимально повним аналогом природної. Синтетична бірюза, що майже не відрізняється від природної, отримана і в Росії.

Головними діагностичними ознаками синтетичної бірюзи є:

- дещо менша щільність — 2,7 г/см3;

- характерна структура поверхні, яку можна спостерігати під мікроскопом;

- наявність кутастих блакитних часток, розподілених у білуватій основній масі (у природній бірюзі наочно можна помітити темно-сині диски на більш світлому фоні);

- крапля розчину соляної кислоти всмоктується природною бірюзою і скочується із синтетичної.

Синтетичний опал. Довгий час не вдавалося одержати синтетичні опали. І тільки в 1964 р. було отримано тендітний і пористий матеріал з оптичним ефектом, характерним для благородного опалу, із щільністю 2,5 г/см3, твердістю 5,5—6,5, показником заломлення 1,52—1,53. Матеріал легко розрізався і полірувався.

Синтетичні опали на кремнеземній зв'язці (близькі до природних) були отримані П. Жильсоном у 1972 р.

Колір таких опалів може бути молочним і чорним, щільність — 2,03 г/см3, показник заломлення — 1,44, твердість — 4,5, опалесценція синтетичних опалів та її малюнок мало відрізняються від опалесценції природних опалів.

Діагностичні ознаки синтетичних опалів:

- рівномірна зерниста структура, що спостерігається в горизонтальній площині;

- стовпчаста, волокниста — у вертикальному розрізі;

- зональне розташування кольорових ділянок;

- більш високі прозорість і смугастість;

- блоки, з яких складаються синтетичні опали, створюють ефект «шкіри ящірки», чого не буває у природних опалів;

- синтетичні опали, на відміну від природних, легко прилипають до язика.