В даний час існує ряд способів виготовлення синтетичних каменів.

Синтез дорогоцінних ювелірних та технічних каменів за способом М.А. Вернейля вважається класичним і є першим промисловим методом вирощування кристалів корунду, шпінелі та інших синтетичних кристалів. У світі щорічно випускається близько 200 т синтетичного корунду і шпінелі. Метод Вернейля полягає в наступному: до пальника з направленим вниз соплом через зовнішню трубу підводиться водень, а через внутрішню - кисень. У ток кисню подається подрібнений порошок окису алюмінію зернистістю близько 20 мкм, отриманий прожарюванням алюмоамміачних квасцов, який при цьому нагрівається до певної температури і потім потрапляє в воднево-кисневе полум'я гримучого газу, де він розплавляється. Внизу під соплом розташовується стрижень із спеченого корунду, що виконує роль крісталлоносца. На нього стікає розплавлена ​​окис алюмінію, утворюючи кульку розплаву. Стрижень крісталлоносца поступово опускається зі швидкістю 5 -10 мм / год, при цьому забезпечується постійне перебування розплавленої зростаючої частини корунду в полум'ї. Діаметр образовавшікся кристалів ( "булек") зазвичай досягає 20 мм, довжина 50-80 мм, іноді їх розмір набагато більше. Бульки представляють собою полікристалів. Для отримання монолітного монокристала бульку оплавляют шляхом подачі кисню. При цьому на оплавленої поверхні бульки частина кристалів залишається незруйнованої і вони при подальшому охолодженні бульки починають рости за рахунок оплавлених зруйнованих кристалів.

Для отримання рубіна до порошку окису алюмінію додають окис хрому, для синтезу сапфіра - окис заліза і титану, для синтезу александрітоподобного корунду - солі ванадію. Цим же методом вирощують синтетичний рутил і титанат стронцію.

Другий поширений метод вирощування синтетичних кристалів дорогоцінних каменів - спосіб Чохральського. Він полягає в наступному: розплав речовини, з якого передбачається кристалізувати камені, поміщають в вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію, молібдену або вольфраму) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають приманку з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до потрібної товщини. Вал з запалом поступово витягають вгору зі швидкістю 1-50 мм / год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30-150 об / хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпінель, гранати, ніобат літію та інші штучні камені.

Часто застосовується метод кристалізації з розчину в розплаві з використанням флюсів. При цьому камені кристалізуються з змішаного розплаву, що складається з розчину сполуки і флюсів - молибдатов, боратов, фторидів, окису свинцю і ін. Речовини, що кристалізується зазвичай в платиновому тиглі при температурі від 600 до 1300 ° С (в залежності від виду кристалів). У розплав опускають приманку, а потім його охолоджують зі швидкістю 0,1 - 1 ° С / год. На затравки поступово нарощується кристал. Швидкість зростання невелика - за кілька тижнів кристал виростає на 3-4 см. Цей метод по ефективності не може конкурувати зі способом Чохральського і застосовується в тих випадках, якщо кристал плавиться інконгруентно або відчуває деструктивне фазове перетворення в твердому стані.

Дуже ефективний гідротермальний спосіб вирощування кристалів дорогоцінних каменів. Процес здійснюється в автоклавах при тиску 7 х 107 - 14 х 107 Па і температурі 300-900 ° С. Автоклав заповнюють розчином відповідного мінералу. У нижній частині автоклава температура більш висока; коли насичений розчин піднімається вгору і потрапляє в умови зі зниженою температурою, речовина осідає на приманку природного кристала. Нижня і верхня частини автоклава розділені діафрагмою.

Останні два методи застосовують для вирощування синтетичних смарагдів, бериллов. Гідротермальних методом синтезують різновиди кварцу і корунду, а методом флюсу - ітрій-алюмінієві гранати, корунд, шпінель.

Надтверді синтетичні мінерали та матеріали отримують іншими способами. Для вирощування алмазу необхідні тиск 50х108 - 100х108 Па і температура понад 1600 ° С. Процес синтезу алмазів здійснюється з графіту в присутності каталізаторів-металів. Залежно від часу синтезу отримують кристали алмазів різних розмірів. Такими ж методами синтезують інші надтверді матеріали: гексаном, ельбор, СВ і ін., Які широко застосовуються в техніці. У ювелірній справі синтетичні алмази і надтверді матеріали до сих пір не застосовуються. org/?Metody_vyrashivaniya_sinteticheskih_kamnei> http://dragkamni.org/?Metody_vyrashivaniya_sinteticheskih_kamnei

синтетичні корунди

Рік народження синтетичного рубіна - 1910 р лабораторії французького хіміка О.Є. Олександра були отримані штучні рубіни ювелірної якості за методом, запропонованим Вернейлем в 1891 р З цього часу цей метод став промисловим. Сировиною для синтезу корунду служить тонкоподрібнений порошок окису алюмінію, що отримується при кальцинації амоній-алюмінієвих квасцов. Для фарбування кристалів додають оксиди перехідних металів в концентраціях 0,1 - 2,0%: окис хрому для рубіна, окису заліза і титанату для сапфіра, окису нікелю для жовтого корунду, окису кобальту для зеленого корунду і окису ванадію для псевдоалександріта. Деякі зарубіжні фірми ( "Лінде" в США, "Відерс Карбідвекр" в ФРН) з 1947 р почали промислове виготовлення "зірчастих" сапфірів і рубінів. Ефект астеризму виходить при добавці у вихідну сировину невеликої кількості (близько 0,3%) окису титану. Після синтезу отримані кристали отжигают тривалий час в окислювальному середовищі при температурі від 1100 до 1500 ° С; при цьому відбувається перенасичення оксиду титану і виділення тонких орієнтованих голок рутилу, які забезпечують відомий ефект шестипроменевої зірки.

Спосіб вирощування синтетичних корунду за методом М.А. Вернейля до 1940 р був поширений тільки в Європі. Їм займалися такі фірми, як "Содем Дьевайрдіан" в Швеції, "Банківський" і "Рубіс синтез" у Франції, "Відерс Карбідверк" в ФРН. З 1940 року цей метод поширився в США, коли фірма "Лінде" почала промисловий випуск синтетичних корунду.

Методом Чохральського можна отримати синтетичні корунди будь-якої форми - трубчасті, стрижневі, стрічкові та ін. Такі профільовані вироби з корунду широко застосовуються в техніці.

Синтезуючи рубіни за методом флюсу або гідротермальних способом, можливо отримати ювелірні камені дуже високої якості. Цими методами фірма "Чатем" (США) виготовляє ювелірні рубіни розміром до 60 мм.

У Росії методи вирощування синтетичних корунду були освоєні ще в 20-х рр. В даний час в Інституті кристалографії АН України ім. А.В. Шубникова розроблені і застосовуються нові методи синтезу корунду, за допомогою яких отримують вироби з корунду самої різної форми. В інституті були створені установки "Сапфір-1М" і "Сапфір-2М", в яких синтезуються корунди методом спрямованої кристалізації, запропонованої Х.С. Багдасарова. Цей спосіб дозволяє вирощувати кристали лейкосапфира у вигляді пластин великих геометричних розмірів з певної заданої кристалографічної орієнтацією.

Суть нового методу полягає в тому, що молібденовий контейнер, заповнений вихідним матеріалом, поміщається у вакуумну піч, де його нагрівають до температури понад 2000 ° С. При цьому розплавляється окис алюмінію. Контейнер з розплавом повільно переміщається в зони з більш низькою температурою і при зниженні температури до певного значення розплав кристалізується. В даний час цим способом отримують кристали масою більше 4 кг. Весь процес автоматизований, за дотриманням режимів спостерігають датчики, що дають інформацію на ЕОМ, яка управляє синтезом кристалів.

В даний час в Росії освоєно промислове виробництво ювелірних і технічних корундів. Прозорі, тонкі, легкі трубки різного перетину і довжини, порожнисті трьох-, чотирьох- і шестигранні призми, нітеводітелі, швелери і куточки різних розмірів з корунду - ці вироби застосовуються в лазерній техніці, радіоелектроніці, світлотехніці, хімічної промисловості, приладобудуванні. Там, де інші матеріали не витримують високих температур і дій агресивних середовищ, використовуються вироби з корунду. Різці з корунду дозволяють без додаткової заточення обробити в кілька разів більша кількість деталей, ніж твердосплавні різці. Сапфіри застосовуються навіть в харчовій промисловості у вигляді датчиків для контролю складу сиропів, соків, рідких речовин. При цьому термін роботи датчика з сапфіра збільшився до 2-3 років проти 3-4 місяців роботи датчика зі скла. org/?Sinteticheskie_korundy> http://dragkamni.org/?Sinteticheskie_korundy

синтетична шпінель

Синтезується цей красивий дорогоцінний камінь способом М.А. Вернейля, практично так само, як і корунд.

Для виготовлення шпінелі використовують суміш окислів алюмінію і магнію, одержувані відповідно з амоній-алюмінієвих квасцов і сульфату магнію. Форма вирощуваних кристалів - паралелепіпед з квадратним перетином.

Шпінель застосовується в основному в ювелірних виробах, В зв'язку з цим до складу суміші вводять різні окрашивающие домішки металів, в тому числі тривалентний хром, який надає камінню червоний або соковитий густий зелений колір. Зелену шпинель ювеліри називають бразильським турмаліном, також іноді називають блакитно-зелену шпінель, дуже схожу на аквамарин. org/?Sinteticheskaya_shpinelmz> http://dragkamni.org/?Sinteticheskaya_shpinelmz

Синтетичний берил, смарагд

В середині минулого століття при нагріванні порошку природного смарагду в боросилікатне розплаві отримали кілька кристалів смарагду призматичної форми. Подальші роботи в області синтезу смарагду пов'язані з дослідженням методу кристалізації з розплавів компонентів, складових смарагд, із застосуванням різних флюсів - окисів літію, молібдену і ін. До 50-х рр. XX ст. синтез смарагдів досліджувався в лабораторних умовах. Перший комерційний смарагд був виготовлений К.Ф. Чатем (США), а пізніше П. Жильсон (Франція).

В даний час відомий ряд промислових методів вирощування синтетичних смарагдів, що застосовуються в Росії, США, Японії, Франції, ФРН та інших країнах. Відомі синтетичні смарагди - "Емері-ту" або "Сімеральд", виготовлені в Австрії. Вони являють собою ограновані вставки зі світлого берилу, на які нарощений шар синтетичного смарагду товщиною 0,3 мм. Колір їх блідо-зелений.

Фірми "Чатем" (США) і "Жильсон" (Франція) випускають синтетичні смарагди "Емеральз", вирощені з розчину в розплаві з флюсом на приманку з пластин берилу. Як флюс застосовують окису літію і вольфраму або окису літію і молібдену. Процес синтезу протікає дуже повільно - протягом місяця нарощується шар товщиною в 1 мм.

В останні роки отримав розвиток гідротермальний метод синтезу смарагдів, при якому зростання кристала смарагду здійснюється також на приманку з природного берилу при температурі 500-600 ° С, тиску 70-140 МПа з заповненням автоклава розплавом на 2/3 об'єму. Швидкість росту кристалів 0,8 мм / добу. Цим методом вирощуються смарагди фірмою "Лінда" (США). Більш точна технологія і умови синтезу смарагдів фірмою не публікуються.

Цікавий метод синтезу смарагду, розроблений японськими дослідниками Хіро-наса і Сейдзі. Установка являє собою платиновий тигель з горизонтальною платинової відбійною перегородкою. Нижня частина тигля розділена циліндричної платинової стінкою. Суміш з будь-яких двох компонентів (SiO2, Аl2O3, ВеO2) поміщають в кільцевий простір, третій компонент - в центральну частину. У верхній частині відбійною перегородки розміщують затравочние кристали. Потім в реактор вводять розчинник з молибдата літію або пятиокиси ванадію і всю систему рівномірно нагрівають до температури вище точки плавлення кожного з компонентів суміші. Коли температура кожної з ізольованих компонентів суміші стає вище точки плавлення розчинника, починається плавлення. В результаті дифузії компоненти піднімаються до затравочним кристалів, проходять через відбійні перегородку і змішуються у верхній частині. Після цього починається процес росту смарагдів на приманку.

Далі розплав витримують при постійній температурі протягом певного часу, потім повільно охолоджують, масу витягують з тигля і розчиняють у воді, де в якості розчинника застосовують молібден літію, або в соляній кислоті, якщо розчинником служить пятиокись ванадію. В результаті отримують прозорі безбарвні кристали, що не відрізняються за фізичними, хімічними властивостями від природного смарагду. Гарний зелений колір досягають додаванням невеликої кількості в розчин окису хрому. Японська фірма "Кіото Керамік і К °" цим методом виготовляє близько 300 кар в рік синтетичних смарагдів. Успішно вирощуються смарагди в Росії. org/?Sinteticheskii_berill%2C_izumrud> http://dragkamni.org/?Sinteticheskii_berill%2C_izumrud

синтетичний кварц

В даний час кварц вирощують гідротермальних способом у сталевих автоклавах. Розчинником сировини природного кварцу служать розчини гидроокисей і карбонатів лужних металів - натрію або калію в концентрації від 3 до 15%. Синтез проводять при тиску 50-150 МПа при температурі 250-450 ° С. Для затравки використовують пластини або стрижні природного кварцу, які орієнтують паралельно кристалографічних площинах (0001) і (1120). Швидкість росту кристалів - до 0,5 мм / добу. Було встановлено, що якщо в калієві розплави вихідного розчину з низькою концентрацією калію додати залізо, то утворюються бурі кристали, при більш високій концентрації калію - зелені.

При синтезі кварцу в системі Н2O- SiO2 - К2O- СO2 з добавкою окислювачів при тиску 150 МПа зелена і буре забарвлення змінюється на золотисто-жовту-цитринові. Поява такого забарвлення залежить від концентрації іонів тривалентного заліза в розчині. При подальшому збільшенні концентрації заліза кристали стають оранжево-червоними.

Синє забарвлення кристалів отримують, вводячи в систему Н2О-SiO2 - Na2O- СO2 кобальту. Густота забарвлення залежить від вмісту кобальту: в блакитних кристалах його до 0,001%, а в яскраво-синіх до 0,02%.

Аметистову забарвлення отримують при вирощуванні кристалів у калієвої системі при температурі 320-420 ° С і тиску - 1000-1400 x 105 Па. Якщо в систему Н2O- SiO2 - К2O- СO2 ввести надмірна кількість тривалентного заліза і знизити вміст домішки алюмінію, то кристал стає димчастим. Після іонізуючого опромінення колір кристалів стає міцним аметистовим. Введений в систему алюміній частково заміщає кремній, в результаті після іонізуючого опромінення кристал кварцу набуває димчастий забарвлення, типову для раухтопазу. При збільшенні концентрації алюмінію можна отримати чорне забарвлення, подібну кольором мориона.

Кольоровий синтетичний кварц широко застосовується в ювелірній промисловості, а безбарвні від різниці в техніці: радіоелектроніці, оптиці, хімічної промисловості. У Росії налагоджено промислове виробництво синтетичного кварцу. org/?Sinteticheskii_kvarc> http://dragkamni.org/?Sinteticheskii_kvarc

синтетичний рутил

Постійною присутністю домішок в природних кристалах рутилу пояснюється його темний колір. В результаті проведених досліджень у фірмах "Лінда" і "Національ Лід і К °" (США) в 1948 р розробили спосіб вирощування синтетичного рутилу за методом М.А. Вернейля. Отримують кристали чорного кольору, але після відпалу в струмені кисню при низькій температурі вони стають майже безбарвними або набувають жовтуватий відтінок.

Синтетичний рутил використовується в ювелірних виробах тільки як замінник алмаза, оскільки його показник заломлення і дисперсія значно вище, ніж у алмазу. Гра світла у цього каменю також дуже сильна, що дозволяє його легко відрізнити від діаманта. org/?Sinteticheskii_rutil> http://dragkamni.org/?Sinteticheskii_rutil

синтетичний алмаз

Синтезом алмазів займалися багато вчених. Провідна роль належить радянському фізику О. Л. Лейпунський, який в 1938 р провів теоретичний аналіз умов утворення алмазу з графіту і визначив області стабільного існування алмазу. В результаті їм була вивчена діаграма стану алмаз - графіт, яка стала основою для наукового вирішення проблеми створення синтетичних алмазів.

У лютому 1953 р групі фізиків шведської енергетичної компанії АSЕА при проведенні чергового досвіду по синтезу алмазу з графіту при тиску 80-108 МПа і температурі 2500 ° С з витримкою в часі 2 хв вдалося отримати перші в світі штучні алмази. У грудні 1954 р вчені фірми "Дженерал Електрик Кo" створили штучні алмази розміром близько 0,8 мм. Згодом ними була розроблена камера типу "белт".

Після цього синтез алмазів був організований в ряді країн - Бельгії, Англії, Японії та ін. В Росії в 1960 р Інститутом фізики високих тисків АН Росії під керівництвом акад. Л.Ф. Верещагіна був розроблений спосіб одержання синтетичних алмазів, який був переданий для промислового освоєння Інституту надтвердих матеріалів АН УРСР. У 1961 р була відпрацьована промислова технологія синтезу алмазів. Процес здійснюється при температурі 1800-2500 ° С і тиску більш 50-102 МПа в присутності каталізаторів - хрому, нікелю, заліза, марганцю, платини, кобальту або інших металів. Згодом було встановлено, що алмази утворюються при кристалізації вуглецю з його розчину в розплаві металу-каталізатора. В даний час складено діаграми освіти алмазу з графіту з різними каталізаторами.

Синтез алмазу проводиться в камері типу "сочевиця" об'ємом кілька кубічних сантиметрів. Нагрівання здійснюється індукційним методом або прямим пропусканням електричного струму. При зближенні пуансонів реакційна суміш графіту з нікелем (а також із шаруватим пірофілліта) стискається, при цьому в камері розвивається тиск вище 50х102 МПа. В результаті відбувається перекристалізація гексагональної кристалічної решітки графіту в кубічну структуру алмазу. Розмір кристалів алмазу залежить від часу синтезу, так як при часу реакції 3 хв утворюються кристали масою близько 10 мг, а 30 хв - 70 мг. Найбільш міцні кристали розміром до 0,5-0,8 мм, більші мають невисокі фізико-механічні властивості. Крім описаного методу розроблено ще ряд способів вирощування алмазів.

У 1963 р В. Ж. Еверсолом (США) був запатентований спосіб вирощування алмазів з газової фази (з метану, ацетилену або інших вуглеводнів) при тиску нижче 10x102 МПа. Суть методу - створення перенасиченої вуглецем газової фази, що утворюється при цьому надлишкова поверхнева енергія на кордоні графіт - повітря сприяє формуванню зародків алмазів. Подібний метод був розроблений в Росії Б.В. Дерягиним і Д.В. Федосєєвим. При тиску нижче атмосферного їм вдалося отримати на затравки з алмазу ниткоподібні кристали синтетичного алмазу з газової фази. Швидкість росту кристалів дуже низька - близько 0,1 мкм / год.

У 1961 р в США фірмою "Еллайд Хемикал і Дю Пон" був запропонований вибуховий метод одержання синтетичних алмазів. При направленому вибуху відбувається миттєве підвищення тиску до 200 x 102 МПа і температури до 2000 ° С, при цьому в графіті утворюються дрібні (до 10-30 мкм) синтетичні алмази. У Росії в Інституті надтвердих матеріалів АН України була відпрацьована подібна технологія отримання штучних алмазів, які отримали назву АВ.

У США фірмою "Дженерал Електрик К °" в 1970 році було розроблено метод отримання великих синтетичних кристалів алмазів ювелірної якості на затравки у вигляді пластин. Однак вартість вирощування таких алмазів набагато вище, ніж видобуток природних.

В даний час світове виробництво синтетичних алмазів (без Росії) становить понад 200 млн. Кар / рік. Головні центри виробництва синтетичних алмазів - США ( "Дженерал Електрик К0"), ПАР ( "Де Бірс"), Англія, Японія.

У Росії промисловістю випускаються синтетичні алмази наступних видів: АСО - алмази звичайної міцності, АСР - алмази підвищеної міцності, АСВ - алмази високої міцності, АСК і АСС - алмази монокристалічні.

Розмір алмазів АСО, АСР і АСВ 0,04-0,63 мм. Крім того, випускаються дві марки мікропорошків - АСМ і аси з розміром зерен 1-60 мкм. Монокристалічні синтетичні алмази АСК і АСС мають розмір зерен до 1 мм.

Експлуатаційні властивості шліфувальних порошків з синтетичних алмазів залежать від форми зерен, характеру їх поверхні і механічної міцності. Найбільш розвинена поверхня характерна для алмазів АСО, а найменш розвинена - для алмазів АСС. Міцність алмазів зростає від АСО? АСР? АСВ? АСК? АСС. Механічна міцність алмазів АСС наближається до міцності природних алмазів.

Синтетичні алмази широко застосовуються для виробництва алмазно-абразивного інструменту, брусків, кіл шліфувальних і відрізних, паст для шліфування, склорізів, різців, бурових коронок, доліт і т.д. В даний час більше 80% потреби в технічних алмазах покривається за рахунок синтетичних.

Крім перерахованих марок синтетичних алмазів в Росії випускаються полікристалічні алмази типу карбонад, балласи, СВС, використовувані в техніці, а також ряд синтетичних надтвердих матеріалів, що наближаються за своїми фізичними властивостями до природних алмазів - ельбор (або к'юбон), гексані та ін. "Блискуче майбутнє малюється нам для алмазу, коли людина зуміє опанувати таємницею штучного його отримання. Алмаз досі наполегливо зберігає цю таємницю, і то небагато, чого домоглася наука, ще далеко від вирішення проблеми в цілому ... "- так пі сал А.Є. Ферсман в 1945 р, а вже через кілька років синтетичні алмази зайняли провідне становище в техніці.

Близько 200 років намагаються створити синтетичні алмази. Десятки лабораторій в різних країнах продовжують пошуки більш раціональної та ефективної методики вирощування алмазів, як для технічних потреб, так і для ювелірних цілей. Невирішених проблем в цій галузі дуже багато, однак, кожен день наближає нас до мети і не виключено, що незабаром будуть знайдені економічні способи одержання синтетичних алмазів будь-якої форми, розміру, кольору і якості. Природне дорогоцінне каміння в десятки, а іноді і в сотні разів коштують дорожче своїх синтетичних аналогів, незважаючи на те що синтетичні камені за якістю і кольором часто значно перевершують природні. Г. Банк пише: "Проте, і синтетичні камені належать до світу дорогоцінних каменів. Кожному дано вирішити для себе, як він уявляє собі свій світ дорогоцінних каменів: чи має намір він задовольнитися хорошою копією або ж як і раніше цінує лише оригінал!" . org/?Sinteticheskii_almaz> http://dragkamni.org/?Sinteticheskii_almaz