Искусственные кристалы

Наряду с природными камнями и стеклянными стразами для украшения часов часто используют искусственно выращенные кристаллы. Что это: дешевая подделка или камни, обладающие самостоятельной ценностью?

Наряду с природными камнями и стеклянными стразами для украшения часов часто используют искусственно выращенные кристаллы. Что это: дешевая подделка или камни, обладающие самостоятельной ценностью?

Бытующее в народе представление о синтетических драгоценных камнях на сегодняшний день мало соответствует действительности. При употреблении этого словосочетания большинство людей представляют себе маленькие безделушки из стекла, цена на которые невелика, а ценность – еще меньше. Конечно, в большинстве случаев искусственные камни действительно дешевле природных. Однако разница в цене зачастую не так велика, в то время как по оптическим и декоративным характеристикам синтезированные человеком камни почти неотличимы от натуральных, а иногда даже превосходят их.

Люди научились искусственно получать очень многие минералы, в том числе когда-то относившиеся к драгоценным камням. Например, дорогой природный рубин в подшипниках часовых механизмов и других точных приборов уже давно заменен на рубин искусственный. Дело не только в цене: промышленное производство нуждается в больших объемах камней с четко определенными параметрами, чего природа дать просто не в состоянии. Именно по этой причине для изготовления резонаторов, являющихся сердцем всех без исключения кварцевых калибров, используются исключительно искусственные камни. Но подшипники и резонаторы скрыты от взгляда покупателя, да и продавец обычно не имеет возможности заглянуть настолько глубоко внутрь часов. Гораздо чаще мы обращаем внимание на их внешний облик, и задаемся вопросами о том, чем именно декорирована та или иная модель. Тем более, что наряду с природными камнями и стеклянными стразами, о которых мы говорили в прошлом номере, все бльшее распространение получают искусственные камни.

Самоорганизующаяся материя

Кристаллы – вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в жестком, строго определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают интересные геометрические формы. Если вы бывали в музее минералогии, наверняка восхищались изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества.

В природе кристаллы могут быть самыми разнообразными как по форме и размеру, так и по цвету. В естественной среде они растут очень медленно, и их внешний облик определяется тем, насколько равномерно и спокойно происходил рост. Разумеется, в мире кристаллов есть и те, что формируются быстро – например, кристаллы соли или льда, но ценности для ювелирного и часового дела они не представляют. Кристаллы начинают образовываться тогда, когда вещество переходит из газообразного или жидкого состояния в твердое. Например, иней, появляющийся на проводах – это кристаллы льда, сформировавшиеся на поверхности металла при охлаждении воздуха.

Схожие процессы происходят и при образовании более долговечных кристаллов: главное условие – равномерное поступление «сырья» для строительства кристаллической решетки. Зарождаясь на глубине в десятки километров, огненно-жидкие расплавы сложного состава проплавляют себе путь в земной коре и, прорываясь ближе к поверхности, постепенно отвердевают, не в силах нагреть все вокруг себя. Именно постепенное охлаждение магмы и ее постоянное добавление создает удивительную возможность для роста самых разнообразных кристаллов.

Химия процесса очень сложна и нельзя сказать, что изучена до конца. Наглядно представить его суть помогает паркетный пол, состоящий из множества плиток. Легче всего работать с плитками квадратной формы – как ее ни поверни, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Гораздо сложнее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы – тогда каждую из них можно уложить на место одним единственным способом. Особенно трудно собрать паркетный узор из досок сложной формы.

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только здесь частички должны собраться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого «паркетчика» здесь нет – кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они находят его сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и «ищут» подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно». В данном случае «удобство» подразумевает энергетически наиболее выгодное положение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться, и тогда через некоторое время она окажется уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое: частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет «искать», где ей удобнее устроиться.

Таблица 1. Ориентировочная стоимость фианитов различной огранки при крупных оптовых закупках

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Например, для хлорида натрия эта форма – куб, для алюмокалиевых квасцов – октаэдр. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, рано или поздно он все равно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте он начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. На этом свойстве основан интересный опыт: если из кристалла поваренной соли выточить шар, а потом поместить его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам превратится в куб.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека: алмазы, рубины, опалы, топазы, аметисты, изумруды и многие другие. Натуральные кристаллы высокого качества встречаются крайне редко, а потому весьма дороги и чаще всего используются в высококлассных ювелирных изделиях или специальных технических приборах. Например, лазерная техника немыслима без натуральных рубинов, а добыча руды без алмазной крошки, нанесенной на резцы гигантских буров. Во многих более простых случаях оказывается выгоднее использовать не природные, а искусственные кристаллы. Из синтетических камней сделана наждачная бумага и все полупроводниковые элементы, которые являются основой окружающей нас электронной техники. Отдельные кристаллы получили применение в ювелирной и часовой промышленности как более доступная, но эффектная замена натуральных камней.

Каменное богатство

Искусственным путем получают как аналоги натуральных кристаллов, так и те, которых в природе вообще не существует. Большинство синтетических камней повторяют химический и структурный состав своих природных аналогов. Так, одним из популярных синтетических минералов, применяемых ювелирами и часовщиками, является корунд, впервые полученный французским ученым Е. Фреми в 1877 году. В 1902 году его ученик Огюст Вернейль опубликовал результаты исследования собственного способа синтеза монокристаллов из окиси алюминия. Метод Вернейля состоит в следующем: порошок окиси алюминия засыпают в печь при температуре 2150°С, при плавлении алюминий превращается в капли, оседающие и нарастающие на подкладке из огнеупорного материала. Сейчас метод Вернейля активно применяется для изготовления искусственных александрита, аметиста, рубина, сапфира, топаза, аквамарина и других минералов.

Смешивание окисей алюминия и магния с дальнейшим применением процесса Вернейля дает жизнь синтетической шпинели, которая также используется в ювелирном и часовом деле. Для производства шпинели также применяется метод Чохральского, суть которого лучше всего описывает история его открытия. В 1916 году польский химик Ян Чохральский случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом, и когда доставал ее, обнаружил тянущуюся металлическую нить с монокристаллической структурой. Аналогичным образом сейчас в тигель погружают затравку из материала будущего кристалла и начинают очень медленно ее поднимать, в это время на ней наращивается необходимый новый слой.

Рожденные в ФИАНе

Важнейший шаг в индустрии искусственных материалов, имитирующих драгоценные камни, был сделан в нашей стране: в 1972 году учеными Физического института Академии наук СССР был впервые синтезирован кубический кристалл диоксида циркония. Синтетический материал, созданный на основе окислов циркония и гафния, получил имя фианит в честь сокращенного названия института ФИАН. Кристаллы массой 200–400 г образуются в результате постепенного охлаждения расплава, нагретого до 2800°С (метод прямого высокочастотного плавления).

Благодаря сочетанию низкой стоимости и отличных оптических характеристик фианиты произвели мини-революцию: их коэффициент преломления равен 2,15–2,25, а твердость - 7,5–8,5 по Моосу, что предельно близко показателям алмаза. Промышленное производство фианита началось в 1976 году, а уже к 1980-му мировой объем выпуска достиг 50 млн карат в год. Для сравнения, это примерно половина сегодняшней общемировой добычи необработанных природных алмазов.

Советское название «фианит» на мировом рынке превратилось в химическое CZ (кубический диоксид циркония - cubic zirconia). Из-за этого в переводах с других языков фианит часто путают с цирконом или цирконием, что неправильно. Цирконий – это металл, он непрозрачен, и, соответственно, не может быть использован в ювелирных вставках. Циркон – это природный минерал, бесцветный или коричневато-жёлтый, достаточно нежный: его твердость соответствует шести по шкале Мооса, т.е. он легко царапается кварцем. Раньше циркон использовался как имитация бриллианта, но после изобретения фианита уступил ему место, поскольку фианит обладает почти идеальными физическими свойствами, соответствующими самым высоким требованиям ювелирной промышленности.

Помимо прочего, фианит отличается еще и высокой скоростью роста. Так, при искусственном выращивании алмаз прибавляет 1,6-3,2 мм/сут., апатит 6,5 мм/сут., а фианит 8-10 мм/сут. Быстрее него способны расти корунд (0,3- 365 мм/сут.) и кварц (0,06-400 мм/сут.), но они в ювелирной промышленности не используются.

Важнейшей характеристикой лабораторных кристаллов является их цена: синтетические камни примерно в 5-10 раз дешевле природных аналогов. Хотя, конечно, стоимость зависит от каждого конкретного кристалла, его огранки и мастерства ювелира. Так, синтетический рубин стоит в 10 раз меньше, нежели природный минерал, разрыв в ценах искусственного и натурального изумруда не так заметен – всего 2-3 раза. А король камней - алмаз - можно считать исключением в этом ряду: его уникальная структура очень сложна для лабораторного производства, поэтому стоимость синтетических алмазов часто совпадает с ценами на экземпляры натурального камня.

Кстати, стоимость фианита при оптовых закупках может сильно удивить неискушенного читателя. По данным одного крупного поставщика различных декоративных камней.

Исследования искусственных кристаллов постоянно продолжаются. В 1995 году в США появился еще один материал, соперничающий с натуральными бриллиантами - карбид кремния, получивший название муассанит. Новый синтетический кристалл, разработанный учеными из университета Северной Каролины, был выведен на рынок компанией Charles & Colvard, и теперь вовсю старается отвоевать позиции у более привычных искусственных камней и их аналогов природного происхождения. Так что химики остаются серыми кардиналами ювелирной промышленности, создавая новые соединения, способные значительно повлиять на ценообразование, моду и общую ситуацию на рынке.

Автор: Ксения Воронина
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: Материалы бриллианты