Часто применяется метод кристаллизации из раствора в расплаве с использованием флюсов. При этом камни кристаллизуются из смешанного распла­ва, состоящего из раствора соединения и флюсов – молибдатов, боратов, фторидов, окиси свинца и др. Кристаллизуют вещества обычно в платино­вом тигле при температуре от 600 до 1300 °С (в зависимости от вида кристаллов). В расплав опускают затравку, а затем его охлаждают со скоростью 0,1 – 1 °С/ч. На затравке постепенно наращивается кристалл. Скорость роста невелика – за несколько недель кристалл вырастает на 3 – 4 см. Этот метод по эффективности не может конкурировать со способом Чохральского и применяется в тех случаях, если кристалл плавится инконгруэнтно или испытывает деструктивное фазовое превращение в твердом состоянии.

Очень эффективен гидротермальный способ выращивания кристаллов драгоценных камней. Процесс осуществляется в автоклавах при давлении 7 • 10⁷ – 14 • 10⁷ Па и температуре 300 – 900 °С. Автоклав заполняют раст­вором соответствующего минерала. В нижней части автоклава температу­ра более высокая; когда насыщенный раствор поднимается вверх и попа­дает в условия с пониженной температурой, вещество осаждается на за­травку природного кристалла. Нижняя и верхняя части автоклава разделе­ны диафрагмой.

Последние два метода применяют для выращивания синтетических изумрудов, бериллов. Гидротермальным методом синтезируют разновидности кварца и корунда, а методом флюса – иттрий-алюминиевые грана­ты, корунды, шпинель.

Сверхтвердые синтетические минералы и материалы получают другими способами. Для выращивания алмаза необходимы давление 50 • 10⁸ –100 • 10⁸ Па и температура более 1600 °С. Процесс синтеза алмазов осуществляется из графита в присутствии катализаторов-металлов. В зависимости от времени синтеза получают кристаллы алмазов различных разме­ров. Такими же методами синтезируют другие сверхтвердые материалы: гексанит, эльбор, СВ и др., которые широко применяются в технике. В ювелирном деле синтетические алмазы и сверхтвердые материалы до сих пор не применяются.

Глава 2. Синтетические корунды

Год рождения синтетического рубина – 1910. В лаборатории французского химика А. Е. Александра были получены искусственные рубины ювелирного качества по методу, предложенному Вернейлем в 1891 г. С этого времени этот метод стал промышленным. Сырьем для синтеза корунда служит тонкоизмельченный порошок окиси алюминия, получаемый при кальцинации аммоний-алюминиевых квасцов. Для окрашивания кристаллов добавляют окислы переходных металлов в концентрациях 0,1 – 2,0 %: окись хрома для рубина, окиси железа и титаната для сапфира, оки­си никеля для желтого корунда, окиси кобальта для зеленого корунда и окиси ванадия для псевдоалександрита. Некоторые зарубежные фирмы ("Линде" в США, "Видерс Карбидвекр" в ФРГ) с 1947 г. начали промыш­ленное изготовление "звездчатых" сапфиров и рубинов. Эффект астериз­ма получается при добавке в исходное сырье небольшого количества (около 0,3 %) окиси титана. После синтеза полученные кристаллы отжига­ют длительное время в окислительной среде при температуре от 1100 до 1500 °С; при этом происходит пересыщение окисла титана и выделение тонких ориентированных игл рутила, которые обеспечивают известный эффект шестилучевой звезды.

Способ выращивания синтетических корундов по методу М. А. Вернейля до 1940 г. был распространен только в Европе. Им занимались такие фирмы, как "Sodem Dj evahirdjian" ("Содем Дьевайрдиан") в Швеции, "Baikowski" и "Rubis Synthdes" ("Банковский" и "Рубис синтез") во Франции, "Wieders Carbidwerk" ("Видерс Карбидверк") в ФРГ. С 1940 г. этот метод распространился в США, когда фирма "Линде" начала промыш­ленный выпуск синтетических корундов.

Методом Чохральского можно получить синтетические корунды любой формы – трубчатые, стержневые, ленточные и др. Такие профилирован­ные изделия из корундов широко применяются в технике.

Синтезируя рубины по методу флюса или гидротермальным способом, возможно получить ювелирные камни весьма высокого качества. Этими методами фирма "Чатэм" (США) изготавливает ювелирные рубины раз­мером до 60 мм.

В СССР методы выращивания синтетических корундов были освоены еще в 20-х годах. В настоящее время в Институте кристаллографии АН СССР разработаны и применяются новые методы синтеза корундов, при помощи которых получают изделия из корундов самой различной формы. В институте были созданы установки "Сапфир-ІІІ" и "Сапфир-2М", в которых синтезируются корунды методом направленной кристаллизации, предложенной Х.С. Багдасаровым. Этот способ позволяет выращивать кристаллы лейкосапфира в виде пластин больших геометри­ческих размеров с определенной заданной кристаллографической ориен­тацией.

Суть нового метода заключается в том, что молибденовый контейнер, заполненный исходным материалом, помещается в вакуумную печь, где его нагревают до температуры более 2000 °С. При этом расплавляется окись алюминия. Контейнер с расплавом медленно перемещается в зоны с более низкой температурой и при снижении температуры до определенно­го значения расплав кристаллизуется. В настоящее время этим способом получают кристаллы массой более 4 кг. Весь процесс автоматизирован, за соблюдением режимов наблюдают датчики, дающие информацию на ЭВМ, которая управляет синтезом кристаллов.

В настоящее время в СССР освоено промышленное производство юве­лирных и технических корундов. Прозрачные, тонкие, легкие трубки различного сечения и длины, полые трех-, четырех- и шестигранные призмы, нитеводители, швеллеры и уголки разных размеров из корунда – эти из­делия применяются в лазерной технике, радиоэлектронике, светотехнике, химической промышленности, приборостроении. Там, где другие материа­лы не выдерживают высоких температур и действий агрессивных сред, используются изделия из корундов. Резцы из корунда позволяют без дополнительной заточки обработать в несколько раз большее число деталей, чем твердосплавные резцы. Сапфиры применяются даже в пищевой промышленности в виде датчиков для контроля состава сиропов, соков, жидких веществ. При этом срок работы датчика из сапфира увеличился до 2 – 3 лет против 3 – 4 месяцев работы датчика из стекла.

Глава 3. Синтетические ювелирные камни разной природы.

В наше время синтезируется в лабораториях мира довольно большое количество ювелирных камней, и кроме ювелирных разновидностей корунда. Например в наше время получают синтетические шпинель, кварц, янтарь и другие камни.

3.1. Синтетическая шпинель.

Синтезируется этот красивый драгоценный камень способом М.А. Вернейля, практически так же, как и корунды.

Для изготовления шпинели используют смесь окисей алюминия и магния, получаемые соответственно из аммоний-алюминиевых квасцов и сульфата магния. Форма выращиваемых кристаллов – параллелепипед с квадратным сечением.

Шпинель применяется в основном в ювелирных изделиях (рис. 2). В связи с этим в состав смеси вводят различные окрашивающие примеси металлов, в том числе трехвалентный хром, который придает камням красный или сочный густой зеленый цвет. Зеленую шпинель ювелиры на­зывают бразильским турмалином, также иногда называют голубовато-зеленую шпинель, очень похожую на аквамарин.

Рис. 2. Вставки из синтетической шпинели

3.2. Синтетический берилл (изумруд)

В середине прошлого века при нагревании порошка природного изумруда в боросиликатном расплаве получили несколько кристаллов изумруда призматической формы. Дальнейшие работы в области синтеза изумруда связаны с исследованием метода кристаллизации из расплавов компонен­тов, составляющих изумруд, с применением различных флюсов – окисей лития, молибдена и др. До 50-х гг. XX в. синтез изумрудов исследовался в лабораторных условиях. Первый коммерческий изумруд был изготов­лен К.Ф. Чатэмом (США), а позже П. Жильсоном (Франция).

В настоящее время известен ряд промышленных методов выращивания синтетических изумрудов, применяемых в СССР, США, Японии, Фран­ции, ФРГ и других странах. Известны синтетические изумруды типа – "Эмерита" или "Симеральд", изготовляемые в Австрии. Они представляют собой ограненные вставки из светлого берилла, на которые наращен слой синте­тического изумруда толщиной 0,3 мм. Цвет их бледно-зеленый.

Фирмы "Чатэм" (США) и "Жильсон" (Франция) выпускают синтетические изумруды типа "Эмеральз", выращенные из раствора в расплаве с флю­сом на затравку из пластин берилла. В качестве флюса применяют окиси лития и вольфрама или окиси лития и молибдена. Процесс синтеза проте­кает очень медленно – в течение месяца наращивается слой толщиной в 1 мм.

Рис.3. Схема установки для выращивания изумру­дов:

1 – растворитель; 2 – ци­линдрический платиновый стакан; 3 – смесь из двух компонентов; 4 – затра­вочное устройство; 5 – платиновая отбойная пла­стина; 6 – третий компо­нент; 7 – платиновый ти­гель.

В последние годы получил развитие гид­ротермальный метод синтеза изумрудов, при котором рост кристалла изумруда осуществ­ляется также на затравку из природного бе­рилла при температуре 500 – 600 °С, давлении 70 – 140 МПа с заполнением автоклава распла­вом на 2/3 объема. Скорость роста кристал­лов 0,8 мм/сутки. Этим методом выращивают­ся изумруды фирмой "Линда" (США). Более точная технология и условия синтеза изумру­дов фирмой не публикуются и считаются коммерческой тайной фирмы.

Интересен метод синтеза изумруда, разра­ботанный японскими исследователями Хиронаса и Сэйдзо. Установка представляет собой платиновый тигель с горизонтальной платино­вой отбойной перегородкой. Нижняя часть тигля разделена цилиндрической платиновой стенкой (рис. 3). Смесь из любых двух ком­понентов (SiO₂ , A1₂ O₃ , ВеО₂ ) помещают в кольцевое пространство, третий компонент – в центральную часть. В верхней части отбой­ной перегородки размещают затравочные кристаллы. Затем в реактор вво­дят растворитель из молибдата лития или пятиокиси ванадия и всю систе­му равномерно нагревают до температуры выше точки плавления каждого из компонентов смеси. Когда температура каждой из изолированных ком­понентов смеси становится выше точки плавления растворителя, начинает­ся плавление. В результате диффузии компоненты поднимаются к затра­вочным кристаллам, проходят через отбойную перегородку и смешивают­ся в верхней части. После этого начинается процесс роста изумрудов назатравках.

Далее расплав выдерживают при постоянной температуре в течение определенного времени, затем медленно охлаждают, массу извлекают из тигля и растворяют в воде, где в качестве растворителя применяют молиб­ден лития, или в соляной кислоте, если растворителем служит пятиокись ванадия. В результате получают прозрачные бесцветные кристаллы, не отличающиеся по физическим, химическим свойствам от природного изумруда. Красивый зеленый цвет достигают добавлением небольшого количества в раствор окиси хрома. Японская фирма «Киоте Керамик и К°» этим методом изготавливает около 300 карат в год синтетических изум­рудов. Успешно выращиваются изумруды в СССР, этим занимаются научные лаборатории Новосибирского университета.

3.3. Синтетический кварц

В настоящее время кварц выращивают гидротермальным способом в стальных автоклавах. Растворителем сырья природного кварца служат растворы гидроокисей и карбонатов щелочных металлов – натрия или калия в концентрации от 3 до 15%. Синтез проводят при давлении 50 – 150 МПа при температуре 250 – 450 °С. Для затравки используют пластины или стержни природного кварца, которые ориентируют параллельно кри­сталлографическим плоскостям (0001) и (1120). Скорость роста кристал­лов – до 0,5 мм/сутки. Было установлено, что если в калиевые расплавы ис­ходного раствора с низкой концентрацией калия добавить железо, то об­разуются бурые кристаллы, при более высокой концентрации калия – зеленые.

При синтезе кварца в системе Н₂ О – SiO₂ – К₂ О – СО₂ с добавкой окислителей при давлении 150 МПа зеленая и бурая окраска изменяется на золотисто-желтую-цитриновую. Появление такой окраски за­висит от концентрации ионов трехвалентного железа в растворе. При даль­нейшем увеличении концентрации железа кристаллы становятся оранжево-красными.

Синюю окраску кристаллов получают, вводя в систему Н₂ О – SiO₂ – Na₂ O – CO₂ кобальта. Густота окраски зависит от содержания кобальта: в голубых кристаллах его до 0,001 %, а в ярко-синих до 0,02 %.