Ako sa syntetizujú drahé kamene

Moderná história tvorba umelých drahokamov sa začala v roku 1857, keď francúzsky chemik Marc Gaudin spojením dvoch solí - kamenca (síranu draselného a hlinitého) a chromanu draselného získal rubínové kryštály s hmotnosťou asi 1 karát.

Syntetické drahokamy zahŕňajú umelo získané mono- alebo polykryštalické a amorfné chemické zlúčeniny. Existujú dve skupiny syntetických šperkových materiálov. Prvá zahŕňa kamene, ktoré sú štruktúrnymi a chemickými analógmi prírodných kryštálov, ale líšia sa zložením a obsahom stopových nečistôt. Patria sem napríklad - diamant, rubín, zafír, smaragd, ametyst, alexandrit. A druhá skupina zahŕňa kamene získané v laboratórnych podmienkach, ale ktoré nemajú v prírode žiadne analógy, napríklad kubický zirkón, ytriohlinitý granát (YAG), granát gália a gadolinia (GGG).

Metódy syntézy drahokamov

V súčasnej dobe sa na syntézu drahých kameňov a rast kryštálov šperkov používajú rôzne metódy, z ktorých hlavné sú skupiny taveniny (Verneuil, Czochralski, metódy tavenia zón a lebky) a metódy tavenia v roztoku (metódy toku, hydrotermálne syntéza a syntéza šperkových diamantov pri vysokých tlakoch), ako aj niektoré ďalšie.

Verneuilova metóda. V roku 1896 navrhol francúzsky vedec Auguste Verneuil špeciálnu pec s vodíkovo-kyslíkovým horákom na syntézu rubínov a začala sa éra priemyselnej výroby syntetických drahokamov.

Syntéza drahých kameňov sa uskutočňuje z taveniny získanej roztavením vsádzky (v prípade syntézy rubínu je vsádzka zmesou oxidov hliníka a chrómu). Pec je navrhnutá tak, že vsádzka padá v malých častiach v prúde kyslíka a vstupuje do spaľovacej komory, kde sa dodáva vodík, a kde je umiestnený horák. Tu sa náboj roztaví a výsledná kvapka dopadne na keramický substrát, na ktorom sa najskôr vytvorí kužeľ, ktorý sa potom zmení na valec - monokryštál. Výsledný kryštál sa nazýva boule (pozri fotografiu 1), ktorého veľkosť je zvyčajne 5-10 cm na dĺžku s priemerom asi 2 cm ( moderné technológie umožňujú získať gule až do dĺžky 60-70 cm). Výroba stredne veľkej gule trvá asi 4 hodiny. Získané kryštály majú silné vnútorné napätie a často sú rozdelené na niekoľko kusov.

Foto 1. Viacfarebný kubický zirkón (surovina) a guľa zo syntetického rubínu (nižšie) (zbierka Moskovskej štátnej univerzity, foto autorov)

K dnešnému dňu bolo Verneuilovou metódou vypestovaných viac ako sto rôznych typov kryštálov. Má však spravidla najväčší priemyselný význam pri pestovaní rubínu, zafíru a iných farebných odrôd korundu, vrátane hviezdicových kameňov a spinelov (pozri fotografiu 2).

Foto 2. Fazetované syntetické rubíny a zafíry (zbierka Moskovskej štátnej univerzity, foto autorov).

Czochralského metóda. Táto metóda umožňuje získať kryštály veľmi vysokej kvality. Východiskový materiál (zmes oxidov vhodného zloženia) sa roztaví v tégliku vyrobenom zo žiaruvzdorného kovu (napríklad z platiny alebo irídia), ktorý sa zahrieva špirálovým ohrievačom navinutým priamo na téglik. Kryštalizácia začína na semene dotýkajúcom sa povrchu taveniny, ktoré sa postupne otáča a zdvíha (vytiahne) von z taveniny (rýchlosťou 5-30 mm / h). Získanými kryštálmi sú tyčinky s priemerom 2,5 až 6 cm a dĺžkou 20 až 25 cm Medzi kryštály pestované touto metódou patria rubíny, zafíry, YAG, GGG a ďalšie syntetické granáty, ako aj alexandrit.

Czochralského metóda umožňuje získať kryštály, ktoré sú vynikajúcim šperkárskym materiálom, pretože sú oveľa rovnomernejšie ako kryštály pestované Verneuilovou metódou.

Metóda zošikmenia. Metóda spočíva v roztavení a kryštalizácii látky vo vlastnom chladnom „plášti“ a používa sa na pestovanie žiaruvzdorných kryštálov (kubický zirkón, korund, YAG a niektoré ďalšie). Na roztavenie látky sa používa vysokofrekvenčné zahrievanie. Po zahriatí sa tavenina uchováva niekoľko hodín (aby sa zaistila destilácia nečistôt a vytvorenie homogénneho média), potom sa pomaly ochladí, v dôsledku čoho kryštalizujú stĺpcové kryštály (pozri fotografiu 1).

Metóda zónového tavenia. Podstata metódy je nasledovná: počiatočný náboj, ktorý je zmesou vopred kalcinovaných oxidov hlavných počiatočných zložiek s nečistotami, a semeno sa vloží do molybdénového člna, ktorý sa potom pomaly ťahá pozdĺž ohrievača. Keď sa čln pohybuje, v náboji sa objavuje pomerne úzka roztavená zóna, ktorá s ďalším pohybom člna tuhne za vzniku jediného kryštálu. Šírka získaného kryštálu je 8 cm, výška je 2 cm, dĺžka je 18 cm, doba rastu je 4 dni. Medzi vnútornými defektmi pestovaných kryštálov je pozorovaná blokovateľnosť a lámavosť.

Táto metóda syntézy drahých kameňov je technicky jednoduchá, umožňuje pestovať monokryštály vo forme dosiek a úspešne sa používa na získanie veľkých monokryštálov korundu rôznych farieb, YAG a ďalších syntetických granátov.

Spôsob syntézy z roztoku v tavenine a hydrotermálna syntéza. Pri pestovaní syntetických drahých kameňov sa široko používajú metódy kryštalizácie z roztoku v tavenine (metóda toku) a z hydrotermálnych roztokov.

Rast kryštálov tavivovou metódou sa používa hlavne na získanie žiaruvzdorných látok, ktorých kryštalizácia z taveniny po rýchlom ochladení nie je možná. Ako rozpúšťadlá (tavidlo) sa používajú taveniny oxidov s nízkou teplotou topenia (olovo, molybdén, bór atď.) Alebo soli (KF, PbF2, CaCl2 atď.). Proces syntézy prebieha v platinových, irídiových alebo grafitových téglikoch umiestnených v špeciálnych peciach. Kryštalizácia nastáva buď v dôsledku postupného ochladzovania taveniny, alebo za podmienok odparovania taveniny, alebo spôsobom teplotného rozdielu. Táto metóda vám umožní získať kryštály smaragdu, korundu, alexandritu o veľkosti niekoľkých centimetrov (pozri fotografiu 3).

Foto 3. Smaragdy pestované hydrotermálnou a roztavenou metódou: suroviny a brúsené kamene (zbierka Moskovskej štátnej univerzity, foto autorov).

Metóda hydrotermálnej syntézy je obzvlášť sľubná pre pestovanie kryštálov šperkov. Rast kryštálov sa uskutočňuje v uzavretých vysokotlakových nádobách (autoklávoch), čo umožňuje, aby sa proces syntézy uskutočňoval pri teplotách 250 až 600 ° C a pri tlaku desiatok a prvých stoviek megapascalov. Ako rozpúšťadlo sa pri tejto metóde používa voda, ktorej rozpúšťacia schopnosť sa prudko zvyšuje pri vysokých teplotách a tlakoch v autokláve. Rast kryštálov sa uskutočňuje na semenách v dôsledku teplotného rozdielu.

Metóda hydrotermálnej syntézy je široko používaná na pestovanie kremeňa rôznych farieb (pozri fotografiu 4) a smaragdov. Hydrotermálne kryštály kremeňa vážia niekoľko kilogramov a smaragdy majú veľkosť až 10 cm V poslednej dobe sa metóda začala používať na syntézu rubínov.

Foto 4. Kryštály kremeňa rôznych farieb, pestované hydrotermálnou metódou (zbierka Moskovskej štátnej univerzity, foto autorov).

Metóda syntézy diamantov v kvalite drahokamov pri vysokých tlakoch.

Vo februári 1955 sa objavila správa o prvom úspešnom pokuse o syntézu diamantu, ktorý sa uskutočnil vo výskumnom laboratóriu americkej spoločnosti General Electric. A na začiatku roku 1970 boli v tom istom laboratóriu získané diamantové kryštály drahokamovej kvality rôznych farieb s hmotnosťou až 1 karát. V súčasnosti sa syntetické diamanty vyrábajú nielen v USA, ale aj vo Švédsku, Južnej Afrike, Japonsku a Rusku.

Hlavnou priemyselnou metódou syntézy diamantov je syntéza kovu a uhlíka v tavenine v roztoku za vysokých tlakov (teplota 1400-1600 ° C, tlak 5 000-6 000 MPa). Ako počiatočná náplň sa zvyčajne používa grafit (aj keď sú možné aj iné látky obsahujúce uhlík) a kovy alebo zliatiny železa, niklu, kobaltu, platiny a paládia. Na vytvorenie požadovaných termobarických parametrov sa používajú výkonné hydraulické lisy vybavené vysokotlakovými komorami.

V súčasnej dobe boli urobené veľké pokroky v oblasti syntézy diamantov. Veľkosť pestovaných kryštálov v kvalite drahokamov dosahuje 9 až 10 karátov, majú rôzne farby a vlastnosti vysokej kvality (pozri fotografie 5, 6).

Okrem opísaných spôsobov syntézy získavania monokryštálov šperkových kameňov existujú aj metódy pestovania polykryštalických agregátov - tyrkysovej, malachitovej a tiež metódy pestovania ušľachtilého opálu. Vo väčšine prípadov technika syntéza drahých kameňov tieto a niektoré ďalšie šperky materiály sú obchodným tajomstvom ich výrobcu.

V súčasnej dobe na trhu teda často nájdete šperky, v ktorých sa ako vložky používajú syntetické kamene. Keďže technológie získavania syntetických materiálov sa neustále zdokonaľujú, dá sa očakávať, že v budúcnosti sa ich počet zvýši, ako aj ich kvalita a podobnosť s prírodnými kameňmi.

Na tomto webe som už publikoval tri svoje nápady (vitráže z farebného skla, Výroba mozaikových panelov a tabuliek, Pestovanie mozaikových panelov v inkubátore). Nová myšlienka, ktorú som nazval „Pestovanie rubínových kryštálov doma“, sa zrodila podobne ako myšlienka 1404 v procese psychologického poradenstva pomocou techník, ktoré som použil na rozvoj kreatívneho myslenia. Vďaka týmto technikám to bolo nový nápad... Nebudem podrobne popisovať, aké problémy mi adresoval mladý muž menom Alexander (teraz na tom nezáleží), ale výsledok nášho pracovať spolu bol zrod tejto domácej podnikateľskej myšlienky.

Na začiatku som narazil na informáciu, že sa ukazuje, že takmer všetky drahé kamene, ktoré sa predávajú v kompozícii šperky v našich typických klenotníctvach sú umelého pôvodu! To vôbec neznamená, že sme klamaní.

Syntetické drahokamy v ich chemickom zložení a fyzikálne vlastnosti takmer úplne na nerozoznanie od prírodné kamene... Celý problém. Ukazuje sa, že medzi prírodnými drahokamami nie všetky majú dostatočnú čistotu a iné klenotnícke vlastnosti, ktoré je potrebné ctiť, aby boli prezentované v klenotníctvach a v laboratórnych alebo továrenských výrobných podmienkach je možné technologický postup doladiť tak, aby všetky kryštály pestované v laboratóriu bude mať takmer rovnaké charakteristiky šperkov.

A vo výrobe sú oveľa lacnejšie ako ich „kolegovia“ rovnakej kvality, ťažení v hlbokých a životu nebezpečných baniach. Navyše ložiská určitých minerálov nie sú rozptýlené v množstve rovnomerne po celom tele glóbus, ale sú spravidla koncentrované na niekoľkých miestach.

Potom myšlienka prúdila analogicky s vitrážami a mozaikami. Ak som na internete narazil na ponuky týchto služieb od veľkých renomovaných spoločností, ktoré majú solídne výrobné oblasti a peňažné toky, položil som si otázku - prečo nie je možné vyrábať malé vitráže (vložky do interiérových dverí, steny žiarovky atď.) doslova na stole?

Študoval som technológiu a premýšľal som, ako by sa to dalo zjednodušiť domáce použitie, vykonal určitý počet experimentov - a dosiahol výsledok!

Rovnako tak sme s Alexandrom začali kreatívne prepracovávať myšlienku pestovania kryštálov drahokamov doma. Študoval (na úvodnej úrovni) rôzne cesty, a usadil sa na metóde francúzskeho vedca Auguste Verneuila, ktorý pred viac ako 100 rokmi vytvoril originálnu techniku ​​a zariadenie, ktoré umožňovalo vypestovať rubínové kryštály s hmotnosťou 20-30 karátov za 2-3 hodiny. Bol to vynikajúci úspech vedy a techniky, a to nielen preto, že to umožnilo umelo vyrábať taký hodnotný materiál v požadovaných množstvách, ale aj preto, že to otvorilo perspektívu pre syntézu a rast kryštálov iných drahých kameňov.

Úspechu O. Verneuila predchádzalo takmer polstoročie výskumu syntézy rubínu.

Jednoduchosť a spoľahlivosť metódy Verneuil viedla k rýchlej organizácii priemyselnej výroby týchto kryštálov, najskôr vo Francúzsku a neskôr prakticky vo všetkých vyspelých krajinách sveta.

Prvý obrázok ukazuje samotný princíp fungovania metódy Verneuil (nie - všetko vyzerá celkom jednoducho!), A druhý obrázok ukazuje prístroj Verneuil.

Zariadenie Verneuil na pestovanie rubínových kryštálov doma

Vyzerá to dosť ťažko, dokonca zo začiatku vo mne vyvoláva malý strach - hovoria si, že toto by som nikdy neurobil! Ale to sú falošné obavy. Koniec koncov, treba znova pripomenúť, že vynálezca vytvoril svoju technológiu pred viac ako 100 rokmi!

Prirodzene nemal k dispozícii tie elektrické a mechanické „triky“, ktoré má v súčasnosti k dispozícii každý domáci remeselník!

Začali sme pracovať na tomto probléme - ako zjednodušiť prístroj Verneuil využitím moderných elektrických komponentov a mechanizmov širokej dostupnosti a vytvoriť „kuchynskú“ verziu zariadenia.

A dokázali sme to!

Pomocou metódy Verneuil môžete pestovať kryštály nielen rubínového, ale aj modrého, bieleho (priehľadného) a žltého topazu (ako aj iných odtieňov, ak je to žiaduce).

Uverejňujem podrobný popis „kuchynskej“ verzie (so súhlasom Alexandra) ako hlavného generátora myšlienky a vôbec sa nebojím konkurencie zo strany tých nadšencov, ktorí sa rozhodnú nasledovať túto myšlienku. Dôvod je veľmi jednoduchý: v súčasnosti sa v mnohých krajinách sveta pestujú umelé drahé kryštály, ale keď idete do klenotníctva, hneď je zrejmé, že ceny stále „hryzú“. A zdá sa, že trh je stále veľmi, veľmi ďaleko od nasýtenia. A ak je aj po prečítaní týchto informácií niekoľko tisíc nadšencov, potom s našou „domácou“ produkciou nemôžeme všetci urobiť žiadne špeciálne „počasie“ v tomto segmente trhu. Výsledky nášho výskumu preto môžeme bez obáv publikovať. Naopak, ak sa v sieti objaví niečo ako „Asociácia domácich pestovateľov kryštálov“ :-), potom to bude ešte zaujímavejšie a užitočnejšie pre všetkých, pretože, ako viete, dve hlavy sú dobré a dvetisíc, môžeme s istotou predpokladať, že sú oveľa lepšie. A niektoré z týchto hláv sa môžu ukázať ako oveľa ľahšie a ich nápady pomôžu každému, koho zaujíma, zariadenie ešte viac zjednodušiť a vylepšiť a zmeniť ho napríklad z „kuchyne“ na „nočný stolík“ :-).

Teraz pár slov o ekonomickej efektívnosti projektu. Vypestovanie rubínového kryštálu s hmotnosťou 20-30 karátov (4-6 gramov!) Trvá asi 3 hodiny a asi 3 kWh elektrickej energie. Vypočítajte si, koľko to stojí vo vašej oblasti. Myslieť si. že údaj je menší ako 10 rubľov. Náklady na 6 gramov prášku oxidu hlinitého a 0,2 gramu oxidu chrómu vo všeobecnosti nemôžu stáť viac ako 50 kopejok.

Ak teda, drahý čitateľ, ponúkneš šperkárovi, ktorý má záujem, aj hrubý rubínový kryštál, potom nepotrebuješ mať Sorosovu hlavu, aby si pochopil, že zisk z obchodu bude celkom solídny. Nuž, ak jeden z ručne vyrobených mužov s rubínmi a topazom urobí radosť vlastnej manželke alebo priateľke, potom sa psychologické dividendy z takýchto „investícií“ nedajú spočítať vôbec! :-).

Ešte pár slov k zákonnej zákonnosti takéhoto konania. Samozrejme, stále je potrebné dôkladne sa poradiť s právnikmi, ale zákon Ruskej federácie „O DRAHÝCH KOVOCH A DRAHÝCH KAMENOCH“ (posledná zmena a doplnenie z 18. júla 2005, N 90-FZ), ktorý som preskúmal, veľmi konkrétne hovorí, že predmet úpravy tohto zákona sú „drahé kamene - prírodné diamanty, smaragdy, rubíny, zafíry a alexandrity, ako aj prírodné perly v surovej (prírodnej) a spracovanej forme. Unikátne jantárové útvary sa stotožňujú s drahými kameňmi v súlade s postupom stanoveným vládou. Ruská federácia... Tento zoznam drahokamov sa môže výhradne zmeniť federálny zákon. ". Osobitne som vyzdvihol slovo - „prírodný“. A o syntetických sa nič nehovorí.

Pestujte teda kryštály rubínu doma v pokoji.

Ak začnete študovať trh s drahými kovmi, skôr alebo neskôr prídete na veľmi zaujímavý záver, že vo všetkých našich klenotníctvach je veľa umelých šperkov. A toto, to najzaujímavejšie, vôbec nie je podvod!

Prírodné kamene sa svojimi chemickými a fyzikálnymi vlastnosťami vôbec nelíšia od umelo vyrobených drahokamov. A ak pôjdeme ďalej, všimneme si, že väčšina prírodných šperkov má ideálnu frekvenciu a vlastnosti, ktoré je dostatočne poctené na predaj v klenotníckych predajniach. Okrem toho sa výhoda syntetických výrobkov oproti prírodným prejavuje v skutočnosti, že kvalitu prvých výrobkov je možné zlepšiť pomocou výroby vo výrobných laboratóriách, aby sa kvalita týchto výrobkov tak priblížila originálu a proces nie je namáhavý, aby bol pomer zisku k nákladom taký vysoký, že bezpochyby je pestovanie drahých kameňov doma bude ťa zaujímať

Ak sa prírodné drahokamy ťažia v ťažko dostupných hlbokých a životu nebezpečných baniach, potom majú syntetickí „bratia“ veľmi lacný výrobný proces. K všetkým nepríjemnostiam pri hľadaní drahých kameňov možno dodať skutočnosť, že ložiská nie sú rovnomerne rozmiestnené po celom svete a sú v hojnom množstve, ale nachádzajú sa iba v určitých bodoch Zeme.

Teraz, keď sme si uvedomili výhodu syntetických drahokamov, prejdeme k metóde pestovanie drahých kameňov doma „kuchynské“ podmienky. Zo všetkých skúmaných metód je pre laika najprístupnejšia metóda Augusta Verneuila, ktorý pred viac ako 100 rokmi vynašiel a uviedol do výroby metódu a súčasti, ktoré môžu do 2-3 hodín s hmotnosťou 20 vypestovať rubínové kryštály -30 karátov.

Metóda Verneuil je taká jednoduchá, že vám umožňuje organizovať kultiváciu drahých kryštálov, počínajúc Francúzskom, neskôr pokračujúcou výrobou vo všetkých progresívnych krajinách a končiac vašou kuchyňou.

Tento obrázok ukazuje veľmi jednoduchý obvod zariadenia na pestovanie drahých kameňov metódou Verneuil.

Schéma inštalácie na pestovanie monokryštálov metódou Verneuil:

1 - mechanizmus znižovania kryštálov,

2 - držiak na kryštál,

3 - rastúci kryštál

4 - mufl, 5 - horák, 6 - násypka,

7 - trepací mechanizmus,

8 - katetometer.

Po prezretí obrázku sa zdá, že je prístroj veľmi komplikovaný a že si ho nikdy nevyrobíme doma. Ale ak si pamätáte, že autor vytvoril svoj aparát pred viac ako 100 rokmi, dnes je jeho schéma v ére elektriny zjednodušená až nemožná.

Napriek tomu, že tieto metódy pestovania syntetických šperkov sú bežné na celom svete, stačí ísť do klenotníctva a ceny vám okamžite padnú do vrecka. A ako vidíte, trh má k úplnej spokojnosti zákazníkov stále ďaleko.

Na výrobu rubínového kryštálu s hmotnosťou asi 20-30 karátov (4-6 gramov !!) musíte stráviť 3 hodiny a 3 kWh elektrickej energie. Teraz musíte vypočítať, koľko vo svojej oblasti miniete na zdroje, vrátane ceny 6 gramov oxyhlinitého prášku a 0,2 gramu oxychrómu. Myslím si, že na takú drobnosť miniete nie viac ako 50 kopejok.

Každý klenotník, ktorý nakupuje drahé kamene, ocení, aj keď nie úplne, kvalitný kameň vašej výroby a vaša inštalácia sa začne platiť úrokom. A ak tiež ozdobíte svojimi šperkami akýkoľvek výrobok a predstavíte ho ako darček svojim blízkym a príbuzným, váš emocionálny vzostup nebude mať žiadne hranice.

Teraz zostáva vyrovnať váš výrobok s právnymi predpismi Ruskej federácie „O drahých kovoch a drahých kameňoch“. A tam je napísané, že predmetom tohto zákona sú „drahé kamene“, medzi ktoré patria prírodné jantárové formácie. A najzaujímavejšie je, že medzi nimi nie sú žiadne syntetické kamene! Takže pracujte pokojne a so ziskom!

Technológia výroby syntetických zafírov, rubínov a korundu

Jednotlivé kryštály lamelárneho zafíru (bezfarebný korund) sa pestujú metódou tavenia, čo umožňuje získať kryštály s hmotnosťou až niekoľko kilogramov. Jednotlivé kryštály syntetického zafíru sa pestujú z oxidu hlinitého napínaním pomocou tvarovačov daného profilu podľa Stepanovovej metódy. Ako bezfarebný štruktúrny materiál sa lamelárny zafír používa v polovodičoch a elektronickom priemysle, hybridných a integrovaných mikroelektronikách, tenkom filme, svetelnom inžinierstve, výrobe chemických zariadení a ďalších priemyselných odvetviach.

Platne z opticky priehľadného a bezfarebného korundu (zafíru) sa veľmi líšia v cene v závislosti od prítomnosti mikro defektov, ktoré sú pre oko neviditeľné. Priemerná veľkosť Dosky majú rozmery 170 x 170 mm a výšku 30 mm. Kompletná tvorba kvalitných surovín trvá zhruba týždeň. Doska s mikroskopickými defektmi neviditeľnými pre oko (vizuálne úplne dokonalá) je celkom vhodná na použitie v šperky ako surovina, ale nemusí byť vhodný pre potreby jemnej priemyselnej optiky, preto sa cena surovín bude veľmi líšiť. To, čo je ideálne pre šperky a realistické ceny, nemusí stačiť na priemyselné potreby.

Na začiatku rastu sú zafírové kryštály bezfarebné, ale potom, ako sa hromadia nečistoty, začnú byť mierne ružovkasté. A ak sa ružovkastý korund na chvíľu vloží pod ultrafialovú (UV) lampu, ružovkastý odtieň sa postupne zmení na nádhernú hnedastosť vína. Farba zafíru je ako vínny topaz, iba tvrdšia.

Podľa rastúcej technológie sa zafírové monokryštálové oplátky podobajú procesu zmrazovania obyčajnej vody a jeho úpravám. Ak je to typ sódy, bude tam veľa očí viditeľných bublín. Ak ide o typ „voda z vodovodu alebo otvorený zdroj“, bude tu veľa skrytých a neviditeľných bublín, ktoré sťažujú používanie zafíru pri práci pod mikroskopom. Typ „voda s cudzími nečistotami“ poskytne nečistoty za zafír. Ideálny variant - typ „destilovaná voda bez plynu a nečistôt, vo vákuu“ - sa používa na výrobu zväčšovacích a zmenšovacích skiel na spaľovanie mikroobvodov a procesorov moderných počítačov (Intel v USA, správy na seminároch a sympóziách 2006- 2007 a neskôr). Veľmi relevantné.

Monokryštály syntetického korundu sú modifikáciou oxidu hlinitého, v ktorom môže byť malá časť iónov hliníka izomorfne nahradená iónmi skupiny železa alebo iónmi medi. Kultivácia syntetických monokryštálov širokej škály farieb (rubíny, zafíry, topazy, ametysty atď.) Sa vykonáva metódou Verneuil. Syntetické korundy sa používajú v klenotníctve, hodinárstve a výrobe nástrojov. Odpadový korund sa používa na výrobu vysoko kvalitných brúsnych a žiaruvzdorných výrobkov. Zariadenie Verneuil tiež umožňuje pestovať syntetické spinely atď.

Rubín a zafír sú minerály, ktoré sa od seba líšia vzhľad, majú identickú kryštálovú štruktúru a vlastnosti, s výnimkou prítomnosti menších koncentrácií nečistôt, ktoré im dodávajú charakteristické farby. Rubín a zafír sú zložené hlavne z oxidu hlinitého Al2O3, ktorého kryštalickú formu mineralógovia nazývajú korund. Kryštály pestované metódou Verneuil známe ako gule, zrejme kvôli tomu, že pôvodne mali zaoblený tvar. Tento termín, vytvorený Gaudinom a používaný Verneuilom, sa medzi pestovateľmi kryštálov stal bežným, aj keď sú kryštály teraz valcovité.

Verneuil pestoval guľu s hmotnosťou 2,5-3 g (12-15 karátov) 2 hodiny. Boule mali okrúhly tvar a niektoré z nich mali priemer 5-6 mm. Dnes sa pestujú valcovité gule s priemerom 20 mm a dĺžkou valca 50-70 mm a takzvané poloblúky (pol valca, pozdĺžne narezané, so základňou 10 x 20 mm). Objem takejto polobule 10 x 20 x 60-70 mm je 10-11 metrov kubických. cm a hmotnosť 40-45 gramov. Táto surovina ešte nebola nameraná v karátoch (dá sa však ľahko vypočítať - hmotnosť je 200 - 250 karátov).

Monokryštalické priehľadné gule a tyčinky z umelého korundu (syntetické rubíny a zafíry) sa získavajú tavením a rekryštalizáciou oxidu hlinitého (oxid hlinitý) v kyslíkovo-vodíkovom plameni. Boule môžu byť dodatočne zafarbené: nečistotami iónov Cr (chróm, až 2%) - v červenej farbe, V (vanád) - v sivozelenom za denného svetla a fialovom v umelom svetle, Mn (mangán) - v žlto -ružovom, Ni (nikel) - v žltej farbe, Ti (titán) - v ružovo -fialových farbách. Pri rezaní syntetických korundov pod rôzne mená(zafír, rubín, topaz, alexandrit, ametyst) používajú sa v klenotníctve; červené korundy - rubíny - ako referenčné kamene pre mechanické hodinky a iné presné nástroje a tyče v optických generátoroch (lasery). Hustota syntetických korundov je 4 g / cm3, tvrdosť je 9 pre farebné korundy a 9,25 pre moissonit (tvrdosť diamantu je 10 na Mohsovej stupnici). Kryštalická štruktúra korundu je zložená z atómov Al (hliníka) obklopených 6 atómami O (kyslíka), ktoré tvoria najhustejšie hexagonálne balenie. Korund sa vyznačuje aj vysokou chemickou odolnosťou a vysokou teplotou topenia (2020-2050 stupňov C, vzťahuje sa na žiaruvzdorné materiály).

Na Kryštalografickom ústave Akadémie vied ZSSR. A. V. Shubnikov vyvinul metódy syntézy korundu, pomocou ktorých sa získavajú kryštály korundu rôznych tvarov. Táto metóda vám umožňuje pestovať kryštály leucosapphire vo forme dosiek veľké veľkosti s určitou danou kryštalografickou orientáciou. Nádoba na molybdén naplnená východiskovým materiálom sa vloží do vákuovej pece, kde sa zohreje na teplotu viac ako 2000 ° C. Oxid hlinitý sa roztaví. Nádoba s taveninou sa pomaly presúva do oblastí s nižšou teplotou a keď teplota klesne na určitú hodnotu, tavenina kryštalizuje. Na smerovú kryštalizáciu sa do taveniny zavedie zárodočný kryštál. Celý proces je automatizovaný.

V priemyselnom meradle sa materiály z umelého korundu získavajú tavením bauxitu v elektrických peciach s redukčným činidlom (železné piliny). Používajú sa aj ako brúsne materiály; pomocou metód práškovej metalurgie sa z nich vyrábajú frézy na mechanické spracovanie kovov, keď vysoká teplota... Nie sú vhodné pre klenotnícky priemysel (na rezanie ako vložky).

Ukazuje sa, že v súčasnosti sa falšujú nielen prírodné produkty. prírodné kamene... Pretože po rozpade ZSSR sú ceny syntetických korundových surovín dosť vysoké, ceny syntetických korundov, zafírov a rubínov tiež nie sú lacné. Fotografia vpravo zobrazuje typickú vzorku. falošné monokryštály syntetického korundu(syntetické rubíny a zafíry). Dosť svetlé farby a charakteristickou hlavou (tvar pripomínajúci zaoblený kamienok). Zdá sa, že je podobný korundu a môže sa predávať za vysokú cenu, ale nebol pestovaný spôsobom Vernele.

Ak má niekto stále v šperkoch syntetické rubíny (kamene vyrobené v ZSSR) sovietskeho strihu, neponáhľajte sa ich zbaviť. Máte vzorku jemného strojne rezaného kameňa a vzácnu vzorku cenného syntetického korundu. Teraz ich nemôžete len tak kúpiť v klenotníctve. Dnes sú ceny rezaných syntetických korundov, rubínov a zafírov za šperky mnohonásobne vyššie ako ceny tradičných bezfarebných a farebných kubických zirkónov (syntetické kubické zirkóny), aj keď sú výrazne lacnejšie ako ceny prírodných surovín a prírodných drahokamov skupiny korundu .

Technologické vlastnosti výroby korundu

Metóda Auguste Verneuila. Priemyselný syntetický rubín sa narodil v roku 1905. Verneuilova technológia spočívala v použití vertikálneho horáka s práškom oxidu hlinitého dodávaným do plameňa prúdom kyslíka. Prášok je v prúde plynu trepaný elektricky poháňaným vibrátorom. Použitie plynotesnej gumovej priechodky umožňuje prenos vibrácií do nádoby obsahujúcej prášok oxidu hlinitého bez úniku kyslíka. Do studenej časti plameňa je umiestnený keramický čap, na ktorý sa zbierajú kvapôčky tekutého oxidu hlinitého, ktoré sa tvoria pri roztavení prášku, ktorý vyteká horúcou zónou plameňa.

Plameň je obklopený keramickým štítom, ktorý funguje ako izolátor a chráni rastúcu Bulyu pred prievanom. Táto mufla je vybavená priezorom, ktorý bol v pôvodnom prístroji Verneuil zapečatený sľudou. Nadmernému zahrievaniu hornej časti zariadenia v dôsledku tepelného toku z horúcej zóny sa zabráni použitím vodného chladenia.

V počiatočnom štádiu rastu Bouli prášok padajúci na čap stuhne a vytvorí kužeľ z materiálu s relatívne nízkou hustotou. Následne sa kužeľ presunie do horúcej zóny plameňa, kde sa jeho vrchol začne topiť. V tomto okamihu sa vytvorí niekoľko kryštálov, ale jeden z nich je orientovaný v smere najvyššej rýchlosti rastu. Inhibuje rast ďalších kryštálov a slúži ako zárodok vyvíjajúceho sa Bouli. Zručnosť obsluhy je v počiatočných fázach rastu mimoriadne dôležitá, pretože počas výberu kryštálov môže byť potrebné upraviť teplotu plameňa alebo rýchlosť podávania prášku.

Potom, čo v centrálnej časti začne prevládajúci rast jedného kryštálu, sa za účelom zväčšenia priemeru gule zvýši rýchlosť privádzania práškového krmiva a teplota plameňa sa postupne zvyšuje úpravou prietoku kyslíka. Horný povrch Bouli sa zaokrúhľuje a dodávajú sa naň čerstvé časti oxidu hlinitého vo forme padajúcich kvapiek taveniny. Ďalej sa stojan s tyčou zníži rýchlosťou zodpovedajúcou rýchlosti rastu Bouliho. Najdôležitejším predpokladom pestovania vysokokvalitných kryštálov je rovnomerné zásobovanie práškom, takže na prípravu kŕmnej suroviny tak, aby mala dobrú tekutosť, sa vynakladá veľké úsilie.

Ak je prášok príliš hrubý, vniknutie hrubých studených častíc môže spôsobiť stuhnutie tenkej roztavenej vrstvy. Potom sa vygeneruje veľa malých kryštálov a Boulle stratí štruktúru jedného kryštálu. Použitie príliš jemného prášku je spojené s nebezpečenstvom odparovania oxidu hlinitého v plameni. Optimálne veľkosti častíc sú v submikrónovom rozsahu (menej ako tisíciny milimetra - 20 mikrónov). Častice musia mať správny tvar, pretože iba v tomto prípade rovnako reagujú na náraz vibrátora (a rovnomerne nalievajú). Verneuil získal oxid hlinitý z kamenca amónneho obsahujúceho asi 2,5% nečistoty kamenca chrómu (získali sa klasické červené gule). Prášok tejto kompozície sa zahrial, aby sa rozložil kamenec a vytvorili sa oxidy, ktoré sa rozdrvili a preosiali cez drôtové sito, aby sa vybrali častice požadovanej veľkosti.

Czochralského metóda(spôsob čerpania z taveniny) je nasledujúci: tavenina látky, z ktorej majú kryštalizovať kamene, sa vloží do žiaruvzdorného téglika vyrobeného zo žiaruvzdorného kovu - platiny, ródia, irídia, molybdénu alebo volfrámu - a zahreje sa vo vysokofrekvenčnom induktore nad teplotou topenia. Semeno vyrobené z materiálu budúceho kryštálu sa spustí do taveniny na výsuvnom valci a na ňom sa vybuduje syntetický materiál na požadovanú hrúbku. Hriadeľ so semenom sa postupne dvíha nahor rýchlosťou 1 až 50 mm / h so súčasným otáčaním pri frekvencii 30 až 150 asi -1. Otáčaním hriadeľa vyrovnajte teplotu taveniny a zabezpečte rovnomerné rozloženie nečistôt. Priemer kryštálov do 50 mm, dĺžka do 1 m. Umelý granát, ako aj korund, spinel, chrysoberyl, niobát lítny atď. Sa pestujú Czochralského metódou.

Objavilo sa veľké množstvo vedecké práce na pestovanie korundu a spinelu tavením plameňom(metóda zónového tavenia). V procese rastu kryštálov touto metódou sa pomocou vyhrievacieho mechanizmu roztaví malá oblasť - zóna - a potom sa ohrievač pohybuje pozdĺž vzorky, v súvislosti s ktorou dochádza k postupnému rastu monokryštálov. Existujú dve verzie tejto metódy: pri metóde horizontálnej smerovej kryštalizácie sa používa dlhý úzky čln (získané kryštály sú vo forme dosiek s rozmermi 220 x 100 x 20 mm alebo viac, v závislosti od veľkosti člna), vo zvislom smere verzia - plávajúca zóna - používa sa sintrovaná tyč (boule), upevnená v horných a dolných častiach.

Zameriavajú sa predovšetkým na vzťah medzi defektmi kryštálov a podmienkami, za ktorých sa Boulle pestuje. Hlavnou nedokonalosťou tohto spôsobu pestovania kryštálov je prítomnosť stupňovitého teplotného gradientu medzi horúcou oblasťou plameňa, kde sa nachádza roztavený vrchol Boule, a chladnejšou spodnou časťou. Náhla zmena teploty pozdĺž osi Bouli vytvára v kryštáli silné napätie a po vybratí z pece Boules často praskne (pozdĺž valca) za vzniku dvoch polvalcových úlomkov (semibulov). Pre potreby klenotníckeho priemyslu na rezanie sú takéto poloblúky celkom vhodné.

Technologické vlastnosti výroby hviezdicových zafírov (asterixov)

V roku 1947 začala pobočka Linde vo východnom Chicagu, Union Carbide Corporation, vyrábať hviezdicové zafíry a rubíny pomocou metódy Verneuil. V roku 1949 bola táto metóda patentovaná. Hviezdne kamene sú pomenované podľa neobvyklého vzhľadu pri pohľade pozdĺž hlavnej osi kryštálu. Zo stredu kryštálu radiálne vyžaruje šesť lesklých pruhov a vytvára pôsobivý vzor, ​​ktorý zodpovedá symbolickému zobrazeniu hviezdy alebo hviezdičky. Výsledkom sú veľmi jasné hviezdne kamene, ktoré v prírode chýbajú.

Tento jav v korunde je spôsobený prítomnosťou tenkých ihiel rutilu - titaničitanu hlinitého (Al2TiO5), ktoré sú predĺžené na pásy usporiadané v súlade so symetriou kryštálovej štruktúry pod uhlom 60 o voči sebe. To sa dosiahne pridaním oxidu hlinitého do prášku. malé množstvá rutil. V procese tvorby gule sa rutil rozpúšťa v roztavenej vrstve oxidu hlinitého, ale po ochladení po kryštalizácii sa boule uvoľňuje vo forme ihiel, ale hlavne už vo forme Al2TiO5, vytvorenej v dôsledku interakcie rutilu a oxid hlinitý. V súlade s patentom Linde sa najlepšie výsledky dosiahnu pridaním 0,1% až 0,3% rutilu k prášku a následným žíhaním gule pri 1100-1500 ° C niekoľko hodín na izoláciu ihiel Al2TiO5. Hviezdne kamene sa zvyčajne vyrábajú vo forme dosť konvexných kabošonov, v takom prípade sú najúčinnejšie.

Hlavnou ťažkosťou pri výrobe hviezdicových kameňov je dosiahnuť rovnomerné rozloženie ihiel Al2TiO5 tak, aby hviezda zaberala celú šírku kameňa. Spoločnosť Linde zistila, že najlepšie výsledky sa dosahujú zmenou prietoku kyslíka, čo má za následok periodické zmeny teploty. Najvýhodnejšie sa to robí ventilom, ktorý čiastočne uzavrie prívod kyslíka. Zistilo sa, že tento postup vedie k periodickej zmene distribúcie ihiel. Ak sú ihly pri nízkom prietoku kyslíka rozložené po celej šírke gule, potom vysoký prietok podporuje ich kryštalizáciu iba v periférnej časti.

Hviezdicový vzor sa javí najefektívnejší, keď sú striedajúce sa vrstvy hrubé 1 mm. Tento postup ukazuje jednu z hlavných výhod umelých drahokamov oproti prírodným: špecialista, ktorý pestuje kryštály, kontroluje podmienky na výrobu materiálu a môže ho meniť, aby dosiahol najlepší výsledok. Milovníci prírodných kryštálov pripúšťajú možnosť určitého spracovania kameňov s cieľom zlepšiť ich vzhľad, napríklad zahrievaním zirkónu, ale nemajú schopnosť ovládať podmienky, za ktorých kryštály pôvodne rástli. Iba v ojedinelých prípadoch môže prírodný hviezdny kameň konkurovať svojmu umelému náprotivku v čisto vizuálnom vnímaní.

Firma „Linde“ vyrába hviezdicové kamene iným spôsobom, keď sa vopred narezaný kabošon z kameňa syntetizovaného bez pridania rutilu ponorí do rutilovej taveniny, aby sa vytvorila veľmi tenká vrstva ihiel. Až potom sa vykoná konečné leštenie. Takéto kamene sa líšia od bežných hviezdnych kameňov väčšou transparentnosťou, ale nepredávajú sa vo veľkom.

Okrem rubínu a zafíru sú hviezdne kamene Linde zastúpené aj odrodami fialovej, zelenej, ružovej, žltej a hnedá ako aj dymovo modrá a dymovo červená. Keďže pôvodný patent teraz skončil, objavilo sa množstvo ďalších dodávateľov, napríklad v Nemecku. Bol hlásený bezfarebný zafír. Táto konkurencia spôsobila pokles cien syntetických hviezdnych korundov. Linde ukončila výrobu a predala svoje zariadenie, aj keď kamene sú stále k dispozícii od spoločnosti Alvin Company z New Jersey. Zdá sa, že teraz sa hlavným dodávateľom hviezdnych kameňov, ktoré sú v USA stále veľmi obľúbené, stáva spoločnosť Jeva.

Rubín je jedným z najznámejších a najkrajších drahokamov, ktorý si ľudia už tisíce rokov veľmi vážia. Jeho jasne červená farba je spojená s farbou ohňa alebo krvi a symbolizuje vitalitu a energiu. Prírodné rubíny sú len zriedka veľké a transparentné, a preto sa obzvlášť vynikajúce kamene stávajú národným pokladom rozdielne krajiny, zdobiť veci kráľovských rodín a aristokratov.

Popis prírodných a syntetických rubínov

Prírodný rubín je veľmi tvrdý minerál, druh korundu. Jeho chemické zloženie je veľmi jednoduché - je to oxid hlinitý Al 2 O 3 s mikroskopickou prímesou chrómu, ktorý dodáva červenú farbu.

Bezfarebný korund nemá hodnotu drahokamu, ale kvôli svojej tvrdosti sa v technológiách používa ako brúsny materiál. Ďalšími klenotovými odrodami korundu sú zafír, Modrá farba ktorá je opatrená prímesou titánu a železa a svetlo zeleného umelého amarylu.

Rubíny sa líšia farbou od ružovej po ohnivo červenú a hnedú a za najdrahší odtieň sa považuje „holubia krv“: jasne červená s prímesou fialovej. Výrobky z tohto kameňa majú charakteristický sklenený lesk.

Rubín sa okrem krásnej farby vyznačuje aj zaujímavým optickým úkazom - prejavom šesťcípej hviezdy na hladkom zakrivenom povrchu kameňa (asterizmus). Je to spôsobené superpozíciou lomu svetla vo vnútri kryštálu. Hviezdne rubíny nie sú krájané, ale ponechané ako kabošony.

Prírodné kamene majú len zriedka ideálnu kvalitu, a preto sa pred predajom podrobujú rôznym druhom spracovania. Najpopulárnejšími technikami sú zahrievanie, obohatenie o berýlium na zvýraznenie červenej farby a vyplnenie trhlín nekvalitných kameňov sklom.

V súčasnosti je väčšina „prírodných“ rubínov v predaji kompozitná, pretože prešli procesom plnenia sklom, ktorého hmotnosť môže v konečnom dôsledku dosiahnuť až 50 percent hmotnosti kameňa. Prírodný rubín je po diamante najdrahším drahokamom. Rekordný 25-karátový kameň kúpil v roku 1995 brunejský šejk za 12 miliónov dolárov.

Syntetické rubíny sú kamene, ktoré sú svojim chemickým zložením identické s prírodným minerálom, ale sú získané umelo. Prvé malé kryštály rubínu získal Mark Gooden z roztaveného korundu v roku 1837. Neskôr sa vedci naučili spájať fragmenty prírodných kameňov do takzvaných „siamských rubínov“.

Touto metódou Francúzi získali drahokamy s hmotnosťou až 10 karátov. Prvý skutočne umelý rubín z oxidu hlinitého však získal až na konci 19. storočia Auguste Vernel. Jeho metóda umožnila rýchly rast veľkých kryštálov v priemyselnom meradle a iniciovala rozsiahlu výrobu syntetických rubínov po celom svete.

Základné moderné metódy pestovania rubínov

V súčasnej dobe sa na syntézu kryštálov drahokamov používa množstvo priemyselných metód, napríklad:

Na výrobu tuhých rubínových laserov sa priemyselne používajú syntetické rubíny.

Vďaka kvantovým prechodom v rubínovom kryštáli pri ožarovaní taký laser generuje nasmerovaný lúč červeného svetla s vlnovou dĺžkou 694,3 nm. Od roku 1960 sa toto zariadenie používa v lekárskom priemysle (odstraňovanie tetovania) a na riešenie rôznych technických problémov (pulzná holografia).

Falošné rubíny: ako rozlíšiť syntetické od prírodných?

Najistejšou cestou, ako zistiť, či je váš kameň syntetický alebo prírodný, je obrátiť sa na profesionálneho klenotníka. Pretože chemické zloženie umelý rubín je identický s prírodným minerálom, nie je vždy možné spoľahlivo overiť pôvod kameňa doma.

Nejaké sú užitočné rady ako sami určiť pravosť rubínu. V prvom rade musíte kameň starostlivo preskúmať silnou lupou alebo pod mikroskopom. Postačí 10x zväčšenie s dobrým osvetlením. Syntetické rubíny sú zvyčajne bezchybné, zatiaľ čo prírodné majú malé povrchové chyby alebo praskliny. Bubliny a inklúzie vo vnútri kameňa tiež naznačujú jeho umelý pôvod.

Vzhľadom na vysokú cenu a popularitu sa ďalšie minerály často predávajú pod rúškom rubínov, ktoré sú oveľa lacnejšie. Medzi nimi sú najbežnejšie tieto:

• granáty (Karelské rubíny). Tmavočervené alebo karmínové kamene, ktoré majú skôr matnú farbu. Sú mäkšie ako rubíny;
• turmalín. Minerál je červeno-ružovej farby, tiež nižší ako tvrdosť až rubínový;
• červené sklo;
• kompozitné rubíny. Ide o nekvalitné prírodné rubíny, praskliny, v ktorých sú vyplnené farebným sklom.

Existuje niekoľko pravidiel, ako rozlíšiť rubín od falošného, ​​najmä ak nie je veľmi kvalitný. V prvom rade dávajte pozor na rez: pravý kameň musí mať presné a nabrúsené hrany a jeho napodobeniny je možné zaobliť a vyhladiť. Ďalšou testovacou metódou je testovanie tvrdosti.

Rubín je veľmi tvrdý kameň a na sklenených alebo keramických povrchoch zanecháva bezfarebné škrabance a mince na ňom nezanechávajú stopy. Ak váš kameň zanecháva na skle červený pruh, znamená to, že bol umelo namaľovaný. Rubín sa od skla líši hustotou (je jeden a pol krát ťažší) a tvrdosťou (ľahko poškriabe sklo).

Bez špeciálneho vybavenia bohužiaľ nemusí byť možné odlíšiť vysokokvalitný falošný od prírodného rubínu. Až do 19. storočia tieto metódy vôbec neexistovali, preto sú v mnohých historických pamiatkach, korunách a šperkoch namiesto rubínov vložené ďalšie červené drahokamy.

Magické a liečivé vlastnosti rubínov

Rôzne národy tradične obdarúvajú rubíny magické vlastnosti... Budhisti verili, že tento kameň prebúdza v schopnosti človeka umenie. Indickí kúzelníci verili, že pomocou tohto kameňa je možné získať moc nad inými ľuďmi. Rubíny sú často považované za symbol vášne, lásky a energie, niekedy sú s ním spojené vznešené myšlienky jeho majiteľa. Toto vzácny kameň dodáva silu a chráni pred čiernou mágiou.

Stredovekí lekári používali rubíny na liečbu epilepsie, paralýzy a dokonca aj depresie. Veľké kamene boli napustené vodou a táto infúzia bola použitá na liečbu čriev a impotencie. Moderné etnológia je presvedčený, že nosenie rubínov normalizuje obehový systém a má priaznivý vplyv na srdce.

Aby však kameň fungoval, musí byť prírodný, pretože umelé rubíny nemajú magické a liečivé vlastnosti.

Kvôli vysoká hodnota od dávnych čias na trh masívne vstupujú prírodné rubíny, rôzne napodobeniny a falzifikáty. Na konci 19. storočia bolo vynájdené pestovanie rubínov, chemicky identických s prírodnými.

V súčasnej dobe existuje mnoho spôsobov, ako pestovať veľké a priehľadné kryštály, ktoré sa používajú v klenotníctve i v technickej oblasti - napríklad na výrobu rubínových laserov. Prírodný rubín je však oveľa vyšší ako umelý a zostáva výhodnejší na výrobu elitných šperkov alebo magických talizmanov.