Синтез камнесамоцветного сырья, исторический обзор и экскурс
Редкая встречаемость самоцветов в природе и их большая стоимость вызывают стремление создать эквивалентные им искусственные заменители. Первые безуспешные попытки в этом направлении делали еще алхимики средневековья.
Однако подлинно научные открытия в области синтеза самоцветов были достигнуты на рубеже XIX и XX вв. Они связаны с именем французского ученого химика М. А. Вернейля, по методу которого (плавления в пламени) и в настоящее время производится большинство искусственных рубинов, сапфиров, шпинели, используемых в ювелирных и технических целях. Эти успехи были подготовлены многими исследователями.
Первые серьезные эксперименты по синтезу алмаза были проведены в России В.Н. Каразиным в 1823 г. (его именем назван Харьковский национальный университет), а затем в Англии Д. Хеннем в 1880 г., а по синтезу минералов группы корунда - И. Холлом, Г. Уаттом в Англии, М. Годеном во Франции (по методу выращивания с флюсом или из раствора в расплаве).
Особых достижений в этой области добились в последние десятилетия XX века, когда на территории бывшего СССР (СНГ) и в некоторых странах за рубежом была успешно решена проблема массового синтеза рубина, кварца, шпинели, изумруда, алмаза и других минералов, что позволило создать промышленность по выращиванию самоцветов как для ювелирных, так и для технических целей. На территории бывшего СССР (СНГ) было особенно широко развито выращивание бесцветного кварца для оптико-механической промышленности и различных его цветовых разновидностей (синего, коричневого, зеленого и фиолетового) - для ювелирной промышленности. На фото справа - искусственный кристалл голубоватого кварца, выращенный в лаборатории.
В основу разработок технологических процессов легли комплексные исследования минералообразующих систем, природы центров окраски, связанных с различными дефектами кристаллической решетки, закономерностей роста кристаллов в высокотемпературных растворах, а также особенностей генезиса и онтогении минералов. Для решения этих вопросов, наряду со специальными экспериментальными работами по росту кристаллов, применялись различные современные физические методы исследования реальной структуры кристаллов (изучение газово-жидких включений), электронный парамагнитный резонанс, оптическая спектроскопия, электронная микроскопия, рентгеновская топография, активационный анализ и другие. Кристаллы кварца выращивают из гидротермальных растворов методом температурного перепада в жаропрочных сосудах высокого давления (автоклавах) различного объема в определенном интервале температур и давлений.
Рассмотрим кратко синтез аметиста. В качестве системы роста используются водные растворы солей, позволяющие получать щелочные или кислые растворы различных концентраций. Так, при использовании щелочных калиевых растворов выращивание аметиста осуществляется на затравках, ориентированных параллельно граням основных ромбоэдров, а в случае фторидных растворов - затравках, ориентированных параллельно граням пинакоида. Для получения потенциальных центров аметистовой окраски в системы вводятся добавки легирующей примеси железа и окислителей (в случае щелочных растворов) или стабилизаторов центров окраски (в случае кислых растворов).
Друза аметиста, искусственно выращенная в лабораториях СССР на кварцевом песчанике.
Для проявления центров аметистовой окраски также (как это наблюдается и в природных кристаллах) необходимо воздействие на них ионизирующей радиации. Для этого используются различные виды облучения. Технологии получения аметистов впервые были разработаны в СССР (СНГ) и запатентованы в ряде зарубежных стран. В результате исследований, проводимых различными физическими методами (оптическая спектроскопия, радиоспектроскопия, электронная микроскопия и др.), установлено, что выращиваемые и природные кристаллы аметиста идентичны.
Это обусловлено тем, что выращивание аметистов осуществляет ся в гидротермальных растворах с физико-химическими параметрами, близкими к природным. Зеленый цвет выращиваемого кварца получают, вводя в раствор определенное количество двухвалентного железа, бурый и коричневый - трехвалентного железа, синий и голубой - кобальта. Плотность цветного кварца, содержащего "неструктурные" примеси, ниже, чем у бесцветного; это относится и к показателю преломления.
В СССР впервые в мировой практике методы синтеза были применены для выращивания коллекционного материала - аметистовых щеток и друз, а также друз других расцветок. В качестве затравки в этом случае служат основы природных друз кварца и аметистовых щеток или пластины кварцевого песчаника. Выращенные друзы разноцветного кварца весьма декоративны, а кристаллы аметиста применяются и для получения ограненых вставок в ювелирные изделия.
Ограненные искусственные камни: 1 - 14, 16, 19-22, 26 - синтетический кварц различных цветов и оттенков; 15, 17, 18, 23, 24- иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ); 25 - фианит (кубический циркон). Камни были выращены на территории СССР.
Ограненные искусственные камни: 1-6 и 9 (аметист) - синтетический кварц. 7, 8-иттрий-алюминиевые гранаты.
Особенности выращивания драгоценных камней (фианиты, рубины, опалы и другие) рассмотрены в других статьях нашего сайта, где также приводятся схемы устройств и признаки их диагностики. Особенности синтеза рубина (корунда), шпинели, благородного опала, бирюзы, иттрий-алюминиевых (ИАГ) и других синтетических гранатов, фианита и алмазов также подробно освещены в специальной литературе.
