Синтез монокристаллов

В основе получения синтетических ювелирных кристаллов лежат обычные процессы кристаллизации, представляющие собой гетерогенные химические реакции, при которых образуются монокристаллы или их поликристаллические агрегаты.

Рост кристаллов может осуществляться из 3-х фаз: жидкой фазы, твердой фазы и газообразной фазы. Процесс может осуществляться как в результате преобразования исходной твердой фазы, так и путем образования твердой фазы из жидкой и газообразной.

Процесс кристаллизации слагается из двух основных этапов: зарождения центров кристаллизации и непосредственно роста кристаллов.

Этапы роста:

1) зародышеобразование

Обозначим данный этап в виде графика

С

1

2

3

Т

1 – стабильная (недонасыщенная) область

2 – метастабильная (насыщенная) область

3 – лабильная область (перенасыщенных растворов)

В разных областях кристаллы растут по-разному: в первой области зародыши растворяются, но рост кристаллов не происходит; во второй области может расти готовая затравка, но не происходит образование новых зародышей; в третьей области происходит возникновение зародышей и рост кристаллов. Для синтеза чистых ювелирных материалов более приемлемо состояние кристалла во второй области зародышеобразования.

2) рост кристаллов

Так как кристалл характеризуется устойчивой пространственной решеткой, то его рост осуществляется послойно, путем прибавления атомов перенасыщенного раствора на кристаллографические грани. При небольшой скорости роста (которая может регулироваться температурой, давлением, скоростью подачи насыщенного раствора или пара) образуется зональность роста. Иногда это проявляется в виде прямолинейных, коленчатых, реже изогнутых линий роста.

В насыщенно окрашенных кристаллах может возникать цветовая зональность, где одни грани принимают на себя большие примеси (например, в корундах, бериллах).

В процессе роста кристалла на гранях могут консервироваться жидкостные и твердые включения. При очень большой скорости роста на гранях остается большое количество включений, и готовый материал может потерять прозрачность.

Существует множество методов синтеза кристаллов. Все они в той или иной степени основываются на фазовом состоянии и компонентном составе исходной среды, а также на характере движущей силы процесса. Исходя из этого все методы можно разделить на:

• Выращивание кристаллов из расплавов (из чистого вещества);

• Выращивание кристаллов из растворов;

• Выращивание кристаллов из газовой среды.

Методы выращивания синтетических аналогов ювелирных камней

Методы синтеза	Примеры получаемых синтетических материалов
СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА
Метод Вернейля	Рубин, сапфир, звездчатые корунды шпинель, рутил, титанат стронция
Метод Чохральского	Александрит, рубин, сапфир, шпинель, ИАГ (иттрий алюминиевый гранит) ГГГ (гадолиний галиевый гранат)
Метод Степанова	Корунды (разноокрашенные), лейкосапфир, ИАГ
Метод Багдасарова (зонная плавка)	Рубины, лейкосапфир, ИАГ
Метод гарниссажа (холодного тигля)	Сапфир, фианит
СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ
Метод флюса	Изумруд, рубин, сапфир, шпинель, александрит, ИАГ, ГГГ
Гидротермальный метод	Кварц и все его разновидности, изумруд, рубин
Синтез из низкотемпературных водных растворов	Малахит, опал
СИНЕТЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Метод газотранспортных реакций	Хризоберилл, фенакит

В настоящее время существуют различные группы синтетических ювелирных образований, которые можно совершенно отчетливо разбить на четыре группы:

1. Полные аналоги природных ювелирных камней – повторяющие внутреннюю структуру и химический состав, а значит аналогичны по внешнему виду и свойствам (например, синтетический рубин, синтетический сапфир, синтетический изумруд, синтетический кварц, синтетический малахит и т.д.).

2. Аналоги природных не ювелирных камней – повторяющие внутреннюю структуру и химический состав, но улучшен внешний вид (например, синтетический рутил, синтетический муассонит, синтетический броммелит и др.)

3. Не имеющие природных аналогов – существуют только в искусственном виде (например, фианит, фабулит, ИАГ, ГГГ и др.)

4. Имеющие общие названия с природными камнями – не соответствуют им по составу и свойствам, а повторяют лишь внешний вид (например, искусственная бирюза, искусственный лазурит, искусственный коралл и др.)

Первые две группы искусственных материалов можно смело отнести к синтетическим аналогам природных камней, последние две группы применяются в качестве имитаций ювелирных камней.

Облицовочные камни также являются объектом имитаций. В отличие от природных облицовочных камней, которые представляют собой монолитные декоративные горные породы, искусственные подделки изготавливают в основном из сборных материалов. Это могут быть сцементированные обломки природных камней, составленные кусочки искусственных материалов (смальта, пластик), затвердевшие растворы из строительных материалов с беспорядочно окрашенными участками, напоминающие текстуру декоративной горной породы. Проще всего имитируют облицовку разноокрашенными пленками, натянутыми на куски дерева и другую поверхность.

Кроме выше перечисленного долгое время спорными считались процессы облагораживания ювелирных камней и культивирования жемчуга. В этих процессах также принимают участие человеческие руки. Поэтому ранее считалось, что ювелирные материалы доведенные или полностью полученные таким путем следует относить к искусственным веществам. Сегодня это положение отвергнуто. Частично из-за того, что многие облагороженные камни (особенно облученные, отожженные) практически невозможно диагностировать, как и современные культивированные образцы жемчуга. Но в большей степени отношение к данным материалам, как к искусственным не оправдано, так как вмешательство человека не нарушает основной структуры камня и его образование остается под влиянием природных процессов.