Получение искусственных заменителей алмазов.

До появления синтетических камней наиболее известными заменителями алмаза были циркон и бесцветный сапфир. К достоинствам сапфира следует отнести близкую к алмазу твердость, но его блеск и игра цветов существенно хуже, так что даже невооруженным глазом легко увидеть, что эти камни действительно несопоставимы. Игра цветов циркона близка к алмазу, но его блеск значительно хуже и лишь ненамного выше, чем у сапфира.

Блеск минерала в основном зависит от показателя преломления, который определяется степенью замедления световой волны при вхождении в твердую среду. Чем выше показатель преломления, тем ниже скорость света в кристалле по сравнению со скоростью в воздухе. Показатель преломления также измеряется по отклонению луча света при вхождении в кристалл. Из этого следует, что чем выше показатель преломления кристалла, тем сильнее его блеск. Чем сильнее луч света изменит свое направление, проникая в кристалл, тем меньший угол он образует с противоположной поверхностью, и соответственно возрастает вероятность того, что луч отразится от тыльной грани, а не пройдет сквозь кристалл. Количество света, отраженное камнем зависит также от угла падения луча и вида огранки камня, но именно разница показателей преломления алмаза (2,42) и сапфира (1,77) делает эти минералы столь отличающимися Друг от друга; алмаз - сверкающий камень, тогда как бесцветный сапфир относительно тусклый.

Многие минералы обладают дву преломлением, которое возникает в результате взаимодействия световых волн с закономерно расположенными атомами в кристаллах, не обладающих кубической симметрией. В двупреломляющих кристаллах луч света разделяется на два луча, которые распространяются с разной скоростью и, следовательно, преломляются под разными углами. Такие кристаллы имеют два показателя преломления, соответствующие этим двум лучам, которые называются обыкновенным и необыкновенным и характеризуются колебаниями во взаимно перпендикулярных направлениях. Разницу Между показателями преломления и называют двупреломлением, она Может быть положительной или отрицательной в зависимости от того, больше или меньше показатель преломления необыкновенного луча, Чем обыкновенного- Для бесцветных драгоценных камней предпочтительно нулевое двупреломление, что соответствует оптической изотропности (т. е. они должны обладать кубической сингонией, для которой характерны одинаковые свойства во всех направлениях). Алмаз - изотропный минерал1 и поэтому лишен главных недостатков двупреломляющих драгоценных камней. Если рассматривать сквозь двупреломляющий кристалл его шлифованные грани, то они кажутся расплывчатыми, так как глаз воспринимает двойное изображение поверхностей, расположенных с обратной стороны.

Игра цветов камня определяется его дисперсией, которая представляет собой разницу показателей преломления кристалла для волн света различной длины. Для определения показателей преломления в качестве стандартов выбраны две длины волны: 6870 А (красный свет) ч 4308 А (фиолетовый свет). Поскольку свет любого цвета отражается под свойственным только ему углом, это приводит к появлению "радуги" цветов при отражении белого света от драгоценного камня.

Шпинель, изготовленная в печи Вернейля, стала первым синтетическим заменителем алмаза. У нее игра цветов несколько выше, чем У сапфира, однако твердость и показатель преломления ниже, поэтому обычно она считается не лучшим из числа дешевых заменителей алмаза. Однако когда она впервые стала выпускаться под названием "алмаз Джурадо", это даже вызвало небольшую панику среди торговцев драгоценностями. Синтетическая шпинель до сих пор продается в качестве недорогого заменителя алмазов.

Рутил Первым синтетическим камнем, появившимся в продаже после второй мировой войны, был рутил, впервые полученный в качестве побочного продукта при научных исследованиях по изготовлению новых белил. Монокристаллы рутила потребовались для более тщательного изучения титановых пигментов, в частности для определения их смачиваемости и оптических свойств. Рутил -это стабильная окись титана (TiO2), встречающаяся в природе в виде непривлекательного коричневого или черного минерала, обычно содержащего высокие концентрации железа. Первый рутил ювелирного качества был изготовлен компанией "Нэйшнл лид индастрис" в США в 1948 г. Наиболее характерное свойство рутила-его дисперсия (0,28), более чем в шесть раз превосходящая дисперсию алмаза. Игра цветов у рутила выше, чем у всех драгоценных камней, поэтому ограненный рутил выглядит восхитительно. Он имеет более высокий показатель преломления, чем алмаз, однако этот камень страдает недостатком, обусловленным высоким двупреломлением, что делает "затуманенными" тыльные грани. Твердость рутила меньше 7, поэтому кристаллы, ограненные в такой форме, когда наиболее ярко проявляются его необычные оптические свойства, весьма недолговечны. Несмотря на эти недостатки, замечательный вид камней привел к широкой популярности рутила, особенно в 50-х годах. Чаще всего он продавался под названием "титания", однако использовалось и много других торговых наименований, один только перечень которых дает возможность ощутить как популярность, так и необыкновенные свойства этого камня: "астрил". "бриллианте", "даймотист", "гава гем", "джарра гем", "кения гем", "кима гем"? "йоханнес гем", "кимберлит гем", "люстерлит", "миридис", "рейнбоу даймонд" ("радужный алмаз"), "рейнбоу гем" ("радужный камень"), "рейнбоу мэгик даймонд" ("радужный волшебный алмаз"), "сапфирайзед титания", "тания-стар"7 "тания-59". "тайрум гем", "титангем", "титания бриллианте", "титания миднайт стоун" ("полночный камень титания"), "титаниум", "титаниум рутил", "титан стоун", "заба гем". Название "радужный камень", вероятно, лучше всего соответствует рекламным описаниям этого камня! Следует отметить, что рутил - первый действительно новый Драгоценный камень в современной ювелирной промышленности.

Рутил плавится при температуре 1925° С, и для его выращивания пригоден метод Вернейля. Первоначально в экспериментах использовалась кислородно-ацетиленовая горелка с двумя соплами, расположенными под углом 45°. Глазная трудность, с которой столкнулись специалисты, заключалась в том, что для расплавленного рутила характерна тенденция к потере кислорода, так что отношение кислорода к титану не соответствует идеальному 2:1, а может возрастать, скажем до 2,02:1. Кристаллы рутила с дефицитом кислорода не бесцветные, а черные или темно-синие, поэтому для получения прозрачных ювелирных камней их необходимо отжигать в течение нескольких часов в окислительной атмосфере при температуре 800-. 1200° С. Однако даже после такой процедуры рутил не становится полностью бесцветным, а сохраняет бледный соломенно-желтый оттенок. Потери кислорода в процессе роста були можно уменьшить использованием горелки с тремя трубками, предложенной Леоном Меркером из "Нэйшнл лид индастрис" в Амбое, Нью-Джерси. Так же как и при синтезе рубина, порошок рутила подается в поток кислорода через центральную трубку, однако вокруг нее для создания окислительной атмосферы поддерживается отдельный поток кислорода, что предотвращает тенденцию к восстановлению материала були водородом из промежуточной трубки. Наличие двух реакционных зон увеличивает завихрения пламени, содействуя расширению зоны постоянных температур. Порошок окиси титана получают нагреванием аммоний-титанового сульфата, и он должен быть столь же тонким и сыпучим, как при синтезе рубина или шпинели. Было установлено, что лучше использовать очень чувствительный к колебаниям бункер с приводом от вибратора, чем молоточек, предложенный Вернейлем. Вибрация делает поток порошка более равномерным и таким образом предотвращает периодическое охлаждение поверхности кристалла, что имеет место, когда шихта поступает порциями. Неравномерность подачи порошка ведет к появлению слоистой структуры, характерной для кристаллов, выращиваемых по методу Вернейля (сам Вернейль считал, что слоистая структура неизбежна). В отличие от первых аппаратов для плавления в пламени, в которых опускание кристаллов по мере их роста выполнялось вручную, сейчас это производится автоматически. Выполнены также и другие условия, необходимые для выращивания кристаллов хорошего качества: тщательно контролируется поток газа и выдерживается прямой ось растущего кристалла. Типичные кристаллы синтетического рутила имеют вес 20 г (100 карат).

В различных патентах описывалось получение окрашенных кристаллов рутила. Сообщалось, что при добавлении пятиокиси ниобия (NbO5) в количестве 0,05%, окиси галлия (Gа2О3) или окиси алюминия (Аl2О3) в количестве от 0,005 до 0,05% образуются почти бесцветные кристаллы рутила. С другой стороны, добавки окиси хрома (Сг2О3) или пятиокиси ванадия (V2O5) в количестве около 1% окрашивают кристаллы в красный цвет. Окись кобальта (СоО) придает желтый цвет при низких концентрациях (0.005-0,05%), янтарный - при концентрации 0,1% и красновато-янтарный, если концентрация увеличивается до 0,13%. Окись никеля (NiO) также дает желтую окраску при низких концентрациях, янтарную - при концентрациях 0,05-0,1% и темно-красную - при содержании 0,1-0,13%. Сообщалось, что введение в шихту окисей молибдена, вольфрама, урана или бериллия, если их концентрация не превышает 0,005%, приводит к образованию голубого рутила. Увеличивая концентрации этих добавок до 1%, можно получить камни от голубых до темно-синих цветов, а при более высоких содержаниях--сине-черные рутилы. На рисунке - горелка с тремя трубками, разработанная для выращивания рутила и титаната стронция.

ТИТАНАТ СТРОНЦИЯ

Титанат стронция получен "Нэйшнл лид индастрис" в 1953 г. Вскоре он стал широко известен как заменитель алмаза и более десятилетия оставался популярным. Показатели преломления титаната стронция и алмаза очень близки (2,41 и 2,42), а дисперсия примерно в четыре раза выше, чем у алмаза. В отличие от рутила кристаллы титаната стронция изотропны, поэтому не отмечается затуманенности тыльных граней. Как и рутил, позиции которого в значительной мере потеснил титанат стронция, последний предлагается покупателям под различными наименованиями, из которых наиболее распространены "Диагем", и "фабулит". Менее известны другие названия: "баль де Фэ", "диамонтина", "динагем", "ювелит", "кеннет лейн джевел", "люстигем", "марвелит", "россиян джевел", "сорелла", "паулин три-гер", "веллингтон", "зенитит". Титанат стронция, как и рутил, хрупкий и может расколоться, если изделие из него достаточно сильно сжать. Возможность получать настоящие бесцветные кристаллы - преимущество титаната стронция в сравнении с рутилом, но слишком низкая твердость-несомненный недостаток для изготовления ограненных камней. Поскольку углы граней чрезвычайно быстро изнашиваются, драгоценные камни продаются с "головкой" из сапфира или шпинели, смонтированной на основании ("павильоне") из титаната стронция. Полученный "дублет сочетает внешний вид титаната стронция и износостойкость более твердого камня. Этот превосходный во всех отношениях заменитель алмаза имеет только один недостаток-не найдено идеального клея для соединения двух частей дублета, а те, что используются, со временем могут приобрести какой-либо цвет. Эмпрезо де Куто из Кобе, Япония, для изготовления дублета "диамонтияа" разработал метод наплавления головки на павильон.

Титанат стронция выращивают в кислородно-водородной печи Вернейля с использованием горелки с тремя трубками, такой же, какую используют при синтезе рутила. Точка плавления титаната 2050 °С, и температуру в пламени поддерживают в пределах 2110- 2130 °С. Типичные скорости потоков составляют: 4 л/мин кислорода через внутреннюю трубку, 5 л/мин через внешнюю кислородную трубку и 40 л/мин водорода. В реальных опытах по выращиванию кристаллов поток кислорода несколько меняется с целью контроля температуры пламени, а поток водорода поддерживается постоянным, но характеризуется высокой скоростью. Вместо геометрического отбора зарождающихся в конусе порошка кристаллов используют затравку,которую центрируют перемещением подставки, а затем начинают подавать порошок, увеличивая скорость потока кислорода, пока она не достигает скорости подачи водорода. После того, как диаметр були достигнет примерно 12 мм, увеличивают скорость подачи порошка, -не меняя скорости потока газов, и начинают опускатьподставку.

Кристаллы растут до достижения ими веса 20 г и длины около 35 мм, затем их опускают на 5-7 мм для того, чтобы кристалл несколько охладился перед длительным остыванием внутри печи после прекращения подачи газов. Используемый для выращивания кристаллов порошок с размером частичек от 0,1 до 0,3 мкм получают нагреванием оксалата стронция и титана с хлоридом стронция при 500° С или более высоких температурах. Кристаллы, извлеченные из печи, черные, но при отжиге в окислительной атмосфере и температуре от 1700 до 650° С в течение 12- 180 ч становятся бесцветными. Избыток окиси стронция в шихте содействует образованию совершенно бесцветных кристаллов.

ГРАНАТЫ

Гранаты, встречающиеся в природе, представляют собой сложные окислы кремния - силикаты, такие, как, например, Mg3Al2Si3O12 (пироп). Большинство хорошо известных гранатов имеют красновато-коричневую окраску, хотя они также бывают привлекательного зеленого цвета (демантоид). В природе не встречаются бесцветные гранаты потому, что, хотя идеальный пироп должен быть бесцветным, практически все гранаты содержат железо, которое придает им красный цвет. Бесцветные искусственные гранаты можно получать, если синтез проводить без участия железа и других окрашивающих примесей. В последние годы они стали очень популярными заменителями алмаза. Можно получить кристаллы силикатных гранатов, близкие по составу к природным, однако расплавленные силикаты обладают высокой вязкостью, и поэтому при охлаждении для них характерна тенденция к образованию стекол. Это побудило исследователей найти более подходящий состав, когда при синтезе вместо кремнезема использовался алюминий, а магний замещался каким-либо трехвалентным элементом, например иттрием. Иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12 давно царствует как наиболее популярный синтетический камень. Приверженцы строгих правил утверждают, что такие соединения нельзя называть гранатами, так как природные гранаты обязательно содержат кремний. Однако кристаллическая структура этих соединений и природных гранатов настолько идентична, что наименование "гранат" было принято в научных кругах и, может быть, несколько неохотно большинством геммологов. В иттриево-железистом гранате (ИЖГ) ученых в первую очередь привлекли магнитные свойства. Железосодержащие гранаты - наиболее важные члены класса магнитных материалов, называемых ферритами, которые обладают магнитными свойствами и являются электрическими изоляторами. Они широко применяются в технике связи и в еще больших масштабах используются в элементах памяти компьютеров, калькуляторов и телефонных систем в виде пленок, содержащих цилиндрические магнитные домены.

С ювелирной точки зрения железосодержащие гранаты представляют небольшой интерес, потому что, хотя тонкие пленки ИЖГ имеют зеленый цвет, в целом кристаллы всегда черные.

Первые патенты на выращивание кристаллов гранатов были выданы в начале 60-х годов Джиму Нилсену и Джо Ремейке из лаборатории "Белл". Они выращивали иттриево-железистые гранаты из раствора в расплаве окиси свинца или из смеси окиси свинца с фторидом свинца или окисью бора. В это же время появился интерес к итгриево-алюминиевым гранатам (ИАГ), когда стало известно о возможности применения этого материала в лазерах. Первые кристаллы были выращены раствор-расплавным методом, но более крупные кристаллы можно получать только вытягиванием из расплава, что обеспечивает более высокие скорости роста и более экономично.

Хотя показатель преломления и дисперсия ИАГ заметно ниже, чем у алмаза, они все же достаточно близки, что делает этот гранат приемлемым заменителем алмаза. Кроме того, ИАГ прекрасно полируется. Поэтому он пользовался большим успехом, будучи первым синтетическим заменителем алмаза, внедренным в весьма консервативную торговлю драгоценностями в Лондоне. Часть этого успеха следует отнести за счет рекламной шумихи вокруг копии знаменитого грушевидного алмаза весом 69,42 карата, который Ричард Бартон подарил известной киноактрисе Элизабет Тэйлор. Этот алмаз, который обычно носят как кулон, был куплен в 1969 г, более чем за I млн. долларов. Страховка при ношении природного камня в течение одного вечера обходилась Тэйлор примерно в 1000 долларов, а стоимость копии составила только 3500 долларов. Не составляло труда опознать алмаз, когда его помещали рядом с копией, но только эксперт мог определить синтетический камень, если рассматривать их отдельно. Таким образом кинозвезда способствовала расширению торговли заменителями алмазов, и производители могут быть благодарны грабителям (или страховым компаниям) за содействие в распространении их продукции. Наиболее крупным поставщиком ИАГ является отделение "Эйртрон" компании "Литтон индастрис" в Моррис-Плейнс, Нью-Джерси, которое первым стало продавать свои камни в октябре 1969 г. Их торговая марка "Даймонэр" часто используется как синоним ИАГ, однако ряд других производителей, главным образом в США, также продают (или продавали) такие камни под различными торговыми наименованиями, например "даймон", "даймоник", "даймонит", "ди ИАГ", "геминэр", "Линде симулэйтэд даймонд", "ригелэйр" и "трай-монд". ИАГ продаются по цене, составляющей примерно1/20 от стоимости алмаза среднего качества. Конечно, это не значит, что кольцо с ИАГ стоит в двадцать раз дешевле, чем кольцо с алмазом, так как стоимость оправы и отделки камня в обоих случаях опинакова. Однако покупатель может предпочесть истратить свои деньги на приобретение более крупного ИАГ, чем маленького алмаза.

Кристаллы ИАГ для ювелирных целей получают главным образом методом Чохральского - вытягиванием из расплава.. Затравочный кристалл, помещенный в иридиевый тигель, погружают в расплав массой около 2 кг. Его разогревают до температуры около 2000 °С (выше точки плавления) с помощью высокочастотного генератора мощностью в Несколько киловатт. Кристалл вытягивают из расплава с постоянной скоростью, а температуру расплава регулируют таким образом, чтобы обеспечить равномерное увеличение диаметра, пока он не достигнет величины в 1,5 дюйма. В дальнейшем диаметр кристалла выдерживают остоянным. Кристаллы могут достигать в длину 1 фута. В процесс протекает в полуавтоматическом режиме, и рост диаметра кристалла контролируется датчиком перемещения. Принцип его работы основан на том, что мениск жидкости вокруг кристалла испускает более интенсивное инфракрасное излучение, чем твердое тело или плоская поверхность расплава, и любое изменение положения этого яркого кольца регистрируется инфракрасным детектором. Один оператор может обслуживать несколько установок, так как экономическая эффективность-жизненно важный фактор, определяющий успех производства ввиду жесткой конкуренции со стороны действующих и потенциальных производителей.

Окрашивание ИАГ можно производить путем введения соответствующих добавок. Обычно лазерные кристаллы содержат редкоземельный элемент неодим, благодаря которому они приобретают приятный сиреневый цвет, сходный, но легко отличимый от цвета аметиста. Присутствие большинства других редкоземельных элементов придает камням желтые или желто-зеленые цвета, хотя камни с эрбием имеют розовый, а с празеодимом - бледно-зеленый цвет. Повышенный интерес вызывают хромсодержащие ИАГ: они имеют зеленую окраску, которая делает их наиболее привлекательными среди всех природных и синтетических зеленых самоцветов, исключая изумруд. Поскольку в природе зеленые гранаты встречаются редко. весьма вероятно, что такие синтетические зеленые камни станут очень популярными, если приобретут более широкую известность.

Гранаты, выращенные раствор-расплавным методом, часто обладают более сочной окраской, чем полученные методом вытягивания из расплава, потому что при медленных скоростях роста и низких температурах концентрация окрашивающих элементов в кристаллах становится выше. Гранаты из раствора-расплава невозможно растить со скоростью, большей чем 1 мм в сутки, тогда как при вытягивании из расплава можно достичь "серостей роста до нескольких миллиметров в час. Раствор-расплавные кристаллы могут содержать включения, которые весьма нежелательны для тех, кто растит кристаллы, но часто любимы геммологами потому, что такие камни после огранки более близки к продуктам природы!

Гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ)-другой бесцветный гранат, который не только вызвал большой научный интерес, но и произвел сенсацию среди специалистов по драгоценным камням. В этом гранате в отличие от ИАГ вместо иттрия присутствует редкоземельный элемент гадолиний' (Gd), а алюминий замещен галлием (Ga): его формула Gd3Ga5O12;. Научный интерес к ГГГ возник в основном в связи с тем, что его константа решетки близка к таковой иттриево-железистого граната. Константа решетки-это длина так называемой элементарной ячейки кристалла, представляющей собой наименьшую единицу кубической решетки граната, которая повторяется в трех направлениях, образуя кристалл. Исходя из этого, кристалл ГГГ используют в качестве "хозяина", на который можно нанести тонкую пленку магнитного ИЖГ. Сходство констант магнитного ИЖГ и немагнитного ГГГ является необходимым условием для получения тонких пленок хорошего качества.

Возможность использования ГГГ в качестве драгоценных камней стала очевидной, когда были измерены его оптические свойства. Показатель преломления этого граната хотя и ниже, чем у алмаза, но существенно выше, чем у ИАГ, а дисперсия (0,038) на глаз неотличима от дисперсии алмаза. Он, так же как ИАГ, хорошо полируется, и если поместить рядом эти ограненные камни, то станет ясно, что ГГГ более привлекательный камень. К сожалению, твердость его составляет только 6,5, поэтому ограненным камням трудно сохранить свою привлекательность в течение длительного периода использования. Другой недостаток ГГГ, так же как и ИАГ, заключается в способности собирать пыль, что ведет к потере блеска, поэтому они требуют более частой чистки, чем другие камни. Еще один недостаток ГГГ-его хрупкость, плоскости его ограненных кристаллов повреждаются легче, чем у других камней.

На ранних стадиях работ производители ГГГ столкнулись с серьезной проблемой, заключающейся в способности камней изменять Цвет под действием солнечного света. Хотя можно изготовить совершенно бесцветные камни, но и они имеют склонность приобретать впоследствии коричневую окраску, обусловленную образованием Центров окраски. Об этом явлении широко не сообщалось в геммологической литературе, хотя и отмечался коричневый оттенок некоторых камней. Было установлено, что образование центров окраски связано с очень небольшими отклонениями отношения галлия к гадолинию в кристаллах от идеального значения, равного 3:5, ввиду Испарения окиси галлия. В настоящее время найдена возможность исправить этот недостаток или изменением атмосферы, в которой растят кристаллы, или введением соответствующих добавок. Кристаллы ГГГ, так же как и ИАГ, выращивают методом Чохральского й сейчас производят в нескольких лабораториях. В соответствии с установившейся практикой крупные производители в настоящее время выращивают кристаллы до 3 дюймов в диаметре, очень высокого качества для нужд электронной промышленности. Производство ГГГ значительно дороже, чем ИАГ, частично потому, что стоимость материалов шихты, окиси гадолиния и окиси галлия существенно выше, чем компонентов, используемых при изготовлении ИАГ. Окрашенные кристаллы ГГГ получают введением присадок: зеленые камни производят с добавками кобальта, а красные - марганца.

Нельзя сказать, что семейство гранатов изучено настолько, что среди них не найдется лучших заменителей алмаза, и, вероятно гранаты смогут сделать еще много предложений ювелирам. Тем не менее в настоящее время есть все признаки того, что гранаты, равно как и другие заменители алмаза, вероятнее всего, будут вытеснены относительно новым искусственным материалом для изготовления драгоценностей - кубической окисью циркония (фианит). С другой стороны, гранаты могут рассчитывать на сохранение части рынка хотя бы потому, что ИАГ, вероятно, будет значительно дешевле кубической окиси циркония.

КУБИЧЕСКАЯ ОКИСЬ ЦИРКОНИЯ (фианит)

В середине 70-х годов ИАГ становится менее популярным, что в некоторой степени связано с появлением ГГГ, хотя, как кажется, снижение популярности не зависит от появления других, даже лучших камней. Тем не менее 1976 г. стал свидетелем рождения нового прозрачного материала, которому предназначено стать выдающимся заменителем алмаза, по крайней мере в обозримом будущем.

Стабилизированная кубическая окись циркония (СКЦ или КЦ) дмеет показатель преломления 2,17-2,18, т. е. близкий к алмазу (2,42). поэтому на глаз трудно различить эти два минерала. Это справедливо и и отношении ГГГ, показатель преломления которого 2,02. а вот у ИАГ он только 1,83, так что визуально довольно просто определить, что это не алмаз. Дисперсия КЦ, равная 0,06, также близка к дисперсии алмаза, и, так как такую разницу определить на глаз невозможно, требуется инструментальная проверка. Различия в показателях преломления и дисперсии маскируются путем изменения соотношения углов между гранями при огранке камня. КЦ хорошо яолируется, а твердость его. близкая к твердости ИАГ, достаточна, чтобы обеспечить долгую жизнь камня даже в кольцах. Плотность его около 5,65, т. е. значительно более высокая, чем алмаза, но для того, чтобы провести такого рода проверку, необходимо извлечь камень из оправы. Если камень находится в кольце, то поскольку показатель преломления выходит за рабочие пределы употребляемых ювелирами рефрактометров, они не могут воспользоваться традиционным методом для того, чтобы отличить окись циркония от алмаза, и даже квалифицированные специалисты не застрахованы от ошибок. В некоторых кристаллах КЦ находили включения, однако в лучших высококачественных материалах их может и не быть. Наиболее надежный метод идентификации алмаза связан с тем. что алмаз чрезвычайно прозрачен для рентгеновских лучей. Если кольца с алмазом и его заменителями поместить на фотографическую пленку и подвергнуть рентгеновскому облучению, то алмаз будет пропускать эти лучи намного лучше, чем другие камни. Вследствие этого пленка под алмазом почернеет значительно сильнее, чем под другими камнями, даже если менять время облучения в широких пределах. КЦ, как и другие заменители, значительно менее прозрачен, чем алмаз, и по отношению к ультрафиолетовому свету.

Поскольку КЦ такой хороший заменитель алмаза, читатель вправе спросить, почему же он не применялся раньше. Главная причина заключается в том, что точка плавления его выше 2000 С, а такой температуры нелегко достичь в газопламенной печи. Изготовление этого материала усложняется еще и полиморфизмом окиси циркония-возможностью образования различных кристаллических структур. Чистая окись циркония (ZrOj) при комнатной температуре имеет Моноклинную структуру, при нагревании выше 1250 °С изменяет ее на Тетрагональную, при температуре около 1900°С - на гексагональную, и только выше 2300 "С структура ZrCb становится кубической. Однако При охлаждении кубическая окись циркония снова приобретает моноклинную структуру. Для того чтобы получить кубическую окись Циркония, стабильную при комнатной температуре, необходимо ввести стабилизирующие компоненты, такие, как окиси магния (MgO), иттрия (Y^Oi) или кальция (СаО). Химическая формула одного из типичных материалов--Zro,$42 Y0,i58 01.93- Дефицит кислорода в сравнении с ZrO? делает КЦ при высоких температурах достаточно хорошим проводником электричества.

Ранее была известна так называемая стабилизированная циркониевая керамика, которая использовалась в различных высокотемпературных конструкциях. Этот керамический материал белый и непрозрачный. Для использования КЦ в качестве драгоценного камня требовалось выращивать монокристаллы, а это несравненно труднее, чем изготавливать керамический материал. Выращивание крупных кристаллов кубической окиси циркония стало возможным только с введением новой методики, называемой прямым высокочастотным плавлением в холодном контейнере.

Этот метод выращивания кристаллов из расплава был разработан в 1973 г. В. В. Осико, В. И. Александровым и их сотрудниками в Физическом институте им. Лебедева в Москве. Сущность метода заключается в следующем: шихта помещается в тигель, температура которого с помощью потока воды проходящей через трубки, поддерживается на уровне комнатной. Высокочастотный генератор подает энергию к порошку окиси циркония, достаточную для того, чтобы расплавить центральную его часть, тогда как внешняя часть остается холодной и, следовательно, твердой. Расплавленная окись циркония окружена поэтому коркой порошка того же самого материала. Это очень важно для выращивания кристаллов КЦ, поскольку из-за высокой точки его плавления трудно подобрать тигель: он будет либо реагировать с расплавом, либо плавиться.

Тигель (или холодный контейнер) должен быть сконструирован так, чтобы высокочастотное излучение проникало в окись циркония, а сама конструкция оставалась холодной. В тигле дно закрытое, а стенки изготовлены из параллельных медных трубок, внутри которых циркулирует вода.

Передача энергии от высокочастотного генератора к окиси циркония осуществляется с помощью индуктора, окружающего тигель. Энергия передается эффективно в том случае, если материалы электропроводны. Такими свойствами окись циркония обладает только при высоких температурах. Для того чтобы сделать шихту электропроводной, при низких температурах к ней добавляют некоторое количество металлического циркония, который окисляется при разогреве образца за счет реакции с кислородом воздуха и увеличивает до необходимого количества содержание окиси циркония в шихте. Последняя содержит также СаО или Y2O3, стабилизирующие кубическую кристаллическую структуру.

Подача энергии к образцу продолжается до тех пор, пока шихта полностью не расплавится, за исключением тонкой оболочки вблизи контакта с холодным тиглем. Для того чтобы кристаллы росли, мощность высокочастотного нагревателя медленно снижают. Затвердевание начинается снизу, хотя в начальные стадии образуется твердая корка и в верхней части расплава. После охлаждения расплава до комнатной температуры из затвердевшей массы можно выделить столбчатые кристаллы до 2 см в диаметре и такой же высоты. Можно получить кристаллы желтого, красного, сиреневого, коричневого и. вероятно, других цветов, но все же наиболее популярны бесцветные-похожие на алмаз кристаллы со слегка желтоватым оттенком.

В настоящее время КЦ производится физическим институтом им. Лебедева и с 1976 г. продается под названием "фианит".

КАКОЙ ЖЕ ЗАМЕНИТЕЛЬ АЛМАЗА ЛУЧШИЙ?

Ни один драгоценный камень не может конкурировать с алмазом по твердости, но существует много синтетических кристаллов, близких или даже превосходящих его по оптическим свойствам. Рутил и титанат бария имеют высокий показатель преломления, причем у первого он даже выше, чем у алмаза, но блеск рутила сводится на нет его желтой окраской. Оба этих камня обладают очень высокой дисперсией, у рутила она слишком высока, что делает его очень сверкающим. Титанат стронция имеет более низкий показатель преломления, а его дисперсия, которая все же достаточно высока, чтобы камни имели привлекательный вид, существенно ниже, чем у рутила. Дополнительным преимуществом титаната стронция перед рутилом и титанатом бария является то, что он оптически изотропен, и это усиливает эффект ограненного камня, если смотреть сквозь него. Титанат стронция был бы серьезным конкурентом алмазу, но для этого у него слишком низкий показатель преломления, не говоря о твердости. Действительно, он слишком мягкий для того, чтобы его постоянно носить в кольцах или даже в других украшениях, где истирание меньше.

Сапфир и шпинель слишком тусклые. Кажется, что наибольшую роль в торговле заменителями алмаза в качестве драгоценных камней играет кубическая окись циркония. Из числа давно употребляющихся синтетических камней позиции титаната стронция в торговле камнями наиболее стабильны, и он будет еще более популярным, если успешно решить проблему его твердости. Это возможно при использовании твердого покрытия, которое должно прочно соединяться с титанатом и не влиять на его блеск. Уже есть по крайней мере один патент, описывающий способ покрытия мягких драгоценных камней слоем корунда. Напыление осуществляется при 500° С из газовой фазы, богатой алюминием и кислородом, с последующим отжигом при 900-1000°С. Если такой процесс будет реализован в полной мере, это приведет к установлению умеренных цен на широко известные прозрачные драгоценные камни. Однако представляется маловероятным, что твердое кристаллическое покрытие будет прочно удерживаться на всех гранях без трещин и видимых дефектов. Практически высококачественное покрытие возможно только тогда, когда существует хорошее соответствие между атомами покрытия и обрабатываемого кристалла. Отсутствие камней с покрытием на ювелирном рынке является доказательством того, что успех в этом деле, по крайней мере для титаната стронция, еще не достигнут. Тем не менее в настоящее время дублет с базой из титаната стронция и головкой из корунда (сапфира) - один из наиболее привлекательных искусственных заменителей алмаза, единственный недостаток которого заключается в неопределенности влияния длительного воздействия света на склеивающее вещество.

Таким образом, в настоящее время дублером алмаза, несомненно, может являться лишь кубическая окись циркония, которая хорошо заменяет его во всех отношениях, кроме твердости. Вообще у кубической окиси циркония только один большой недостаток-высокая точка плавления, делающая трудным выращивание кристаллов.

Поскольку крупные алмазы хорошего качества встречаются все реже, его заменители должны стать более популярными, чем в прошедшие времена.

Источник: Д.Элуэлл "Искусственные драгоценные камни"

------------------------------------------------------------------

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: