Jak se syntetizují drahé kameny. Proces syntézy umělých drahokamů – Gemologické centrum Moskevské státní univerzity

Novodobá historie tvorby umělých drahokamů začala v roce 1857, kdy francouzský chemik Marc Gaudin fúzí dvou solí – kamence (síranu draselného a hlinitého) a chromanu draselného získal krystaly rubínu o hmotnosti asi 1 karát.

Syntetické klenotnické kameny zahrnují uměle vyrobené mono- nebo polykrystalické a amorfní chemické sloučeniny. Mezi syntetickými šperkovými materiály lze rozlišit dvě skupiny. Do první skupiny patří kameny, které jsou strukturními a chemickými obdobami přírodních krystalů, liší se však složením a obsahem mikronečistot. Patří mezi ně například diamant, rubín, safír, smaragd, ametyst, alexandrit. A do druhé skupiny patří kameny získané v laboratorních podmínkách, které však nemají v přírodě obdoby, například kubický oxid zirkoničitý, yttrium-hlinitý granát (YAG), gallium-gadolinium granát (GGG).

Metody syntézy drahých kamenů

V současné době se pro syntézu drahých kamenů a růst šperkových krystalů používají různé metody, z nichž hlavní jsou skupiny taveniny (Verneuil, Czochralski, zónové a lebkové metody tavení) a metody roztokové taveniny (metody toku, hydrotermální syntéza a syntéza šperkařských diamantů při vysokých tlacích), stejně jako některé další.

Verneuilova metoda. V roce 1896 francouzský vědec Auguste Verneuil zkonstruoval speciální pec s vodíkovo-kyslíkovým hořákem pro syntézu rubínů a začala éra průmyslové výroby syntetických šperkových kamenů.

Syntéza drahých kamenů se provádí z taveniny získané tavením vsázky (v případě syntézy rubínu je vsázka směsí oxidů hliníku a chromu). Pec je navržena tak, že vsázka padá po malých částech dolů v proudu kyslíku a vstupuje do spalovací komory, kde je přiváděn vodík a kde je umístěn hořák. Zde se náboj roztaví a vzniklá kapka dopadne na keramický substrát, na kterém se nejprve vytvoří kužel, který se následně změní ve válec – monokrystal. Výsledný krystal se nazývá koule (viz foto 1), jejíž velikost je obvykle 5-10 cm na délku s průměrem cca 2 cm (moderní technologie umožňují získat koule o délce až 60-70 cm) . Získání středně velké koule trvá asi 4 hodiny. Výsledné krystaly mají silné vnitřní pnutí a často se dělí na několik částí.

Foto 1. Vícebarevné kubické zirkonie (suroviny) a koule syntetického rubínu (níže) (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů)

Verneuilovou metodou bylo dosud vypěstováno více než sto různých druhů krystalů. Největší průmyslový význam má však zpravidla při pěstování rubínu, safíru a dalších barevných odrůd korundu včetně hvězdicových kamenů a také spinelu (viz foto 2).

Foto 2. Fasetované syntetické rubíny a safíry (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů).

Czochralského metoda. Tato metoda umožňuje získat krystaly velmi vysoké kvality. Výchozí materiál (směs oxidů vhodného složení) se taví v kelímku ze žáruvzdorného kovu (například z platiny nebo iridia), který se zahřívá spirálovým ohřívačem navinutým přímo na kelímku. Krystalizace začíná na zárodku dotýkajícím se povrchu taveniny, které se postupně otáčí a zvedá (vytahuje) z taveniny (rychlostí 5-30 mm/hod). Výsledné krystaly jsou tyčinky o průměru 2,5-6 cm a délce 20-25 cm.Krystaly pěstované touto metodou zahrnují rubíny, safíry, YAG, GGG a další syntetické granáty a také alexandrit.

Czochralského metoda produkuje krystaly, které jsou vynikajícím šperkařským materiálem, protože jsou mnohem jednotnější než krystaly pěstované Verneuilovou metodou.

Metoda tavení lebky. Metoda zahrnuje tavení a krystalizaci látky v jejím vlastním studeném „plášťu“ a používá se pro pěstování žáruvzdorných krystalů (kubický zirkonie, korund, YAG a některé další). K roztavení látky se používá vysokofrekvenční ohřev. Po zahřátí se tavenina několik hodin udržuje (pro zajištění odstranění nečistot a zajištění homogenity média), poté se pomalu ochladí, v důsledku čehož vykrystalizují sloupcové krystaly (viz foto 1).

Metoda zónového tavení. Podstata metody je následující: počáteční vsázka, což je směs předem kalcinovaných oxidů hlavních výchozích složek s nečistotami, a osivo se umístí do molybdenové lodičky, která se pak pomalu táhne podél ohřívače. Při pohybu člunu se v náloži objevuje dosti úzká roztavená zóna, která dalším pohybem člunu tuhne a tvoří monokrystal. Šířka výsledného krystalu je 8 cm, výška 2 cm, délka 18 cm, doba růstu 4 dny. Mezi vnitřními defekty narostlých krystalů je pozorována blokovitost a praskání.

Tento způsob syntézy drahých kamenů je technicky jednoduchý, umožňuje růst monokrystalů ve formě destiček a úspěšně se používá k získávání velkých monokrystalů korundu různých barev, YAG a dalších syntetických granátů.

Způsob syntézy z roztoku v tavenině a hydrotermální syntéza. Při pěstování syntetických šperkařských kamenů se hojně využívají metody krystalizace z roztoku v tavenině (metoda toku) a z hydrotermálních roztoků.

Pěstování krystalů metodou toku se používá především k získání žáruvzdorných látek, jejichž krystalizace z taveniny při prudkém ochlazení není možná. Jako rozpouštědla (tavidlo) slouží taveniny oxidů s nízkou teplotou tání (olovo, molybden, bor aj.) nebo solí (KF, PbF2, CaCl2 aj.). Proces syntézy probíhá v platinových, iridiových nebo grafitových kelímcích umístěných ve speciálních pecích. Ke krystalizaci dochází buď v důsledku postupného ochlazování taveniny, nebo za podmínek vypařování taveniny, nebo metodou rozdílu teplot. Tato metoda umožňuje získat krystaly smaragdu, korundu a alexandritu o velikosti několika centimetrů (viz foto 3).

Foto 3. Smaragdy pěstované hydrotermální metodou a metodou tavení v roztoku: suroviny a broušené kameny (sbírka Státního centra Moskevské státní univerzity, foto autorů).

Metoda hydrotermální syntézy je perspektivní zejména pro pěstování šperkařských krystalů. Růst krystalů se provádí v uzavřených vysokotlakých nádobách (autoklávech), které umožňují proces syntézy provádět při teplotách 250-600˚C a tlacích desítek a několika stovek megapascalů. Při této metodě se jako rozpouštědlo používá voda, jejíž rozpouštěcí schopnost prudce roste při vysokých teplotách a tlacích poskytovaných v autoklávu. K růstu krystalů dochází na semenech v důsledku teplotního rozdílu.

Metoda hydrotermální syntézy je široce používána pro pěstování křemene různých barev (viz foto 4) a smaragdů. Hydrotermální krystaly křemene dosahují hmotnosti několika kilogramů, velikost smaragdů je až 10 cm.V poslední době se metoda začíná používat pro syntézu rubínů.

Foto 4. Krystaly křemene různých barev pěstované hydrotermální metodou (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů).

Metoda syntézy klenotnických diamantů při vysokých tlacích.

V únoru 1955 se objevila zpráva o prvním úspěšném pokusu o syntézu diamantů, uskutečněném ve výzkumné laboratoři americké společnosti General Electric. A na začátku roku 1970 byly ve stejné laboratoři získány diamantové krystaly v kvalitě drahokamů různých barev o hmotnosti až 1 karát. V současnosti se syntetické diamanty vyrábějí nejen v USA, ale také ve Švédsku, Jižní Africe, Japonsku a Rusku.

Hlavní průmyslovou metodou syntézy diamantů je syntéza kov-uhlík roztavená v roztoku při vysokých tlacích (teplota 1400-1600˚C, tlak 5000-6000 MPa). Výchozí náplní je obvykle grafit (i když jsou možné i jiné látky obsahující uhlík) a kovy nebo slitiny železa, niklu, kobaltu, platiny a palladia. Pro vytvoření potřebných termobarických parametrů se používají výkonné hydraulické lisy vybavené vysokotlakými komorami.

V současné době došlo k velkému pokroku v oblasti syntézy diamantů, syntetizují se barevné i bezbarvé diamanty velmi rozdílných velikostí (viz foto 5, 6).

Foto 5. Syntetický diamant vyrobený v Rusku (sbírka Státního centra Moskevské státní univerzity, foto D. Ermolaev)

Foto 6. Broušený syntetický diamant vyrobený v Rusku (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto D. Ermolaev)

Kromě popsaných způsobů syntézy pro výrobu monokrystalů šperkových kamenů existují způsoby pěstování polykrystalických agregátů – tyrkys, malachit a také způsoby pěstování ušlechtilého opálu. Ve většině případů je způsob syntézy drahých kamenů těchto a některých dalších šperkařských materiálů obchodním tajemstvím jejich výrobce.

Na trhu tak v dnešní době často najdete šperky, které jako vložky používají syntetické kameny. Vzhledem k tomu, že technologie výroby syntetických materiálů se neustále zdokonaluje, lze v budoucnu očekávat, že se bude jejich množství zvyšovat, bude se zlepšovat i jejich kvalita a podobnost s přírodními kameny.

Co lze nalézt na Zemi a přímo v ní?

Vnější tvrdý obal naší planety, litosféra, se skládá z hornin. Většina z nich vznikla během přírodních procesů – usazování lastur do hlubin starověkých nádrží, šíření malých kousků hor přes ledovce, větry a proudy. Tyto horniny se nazývají sedimentární a skládají se z minerálů a měkkých nebo tvrdých organických látek.

Příkladem sedimentární horniny je vápenec, který se skládá ze zbytků mořských živočichů. Nacházejí se ve vápencích a zkamenělinách – zubech a kostech, otiscích tlapek a těl, stopách životně důležité činnosti organismů atd. Fosílie vznikají, když se organické látky z mrtvého tvora nahrazují hluboko v zemi minerály po tisíce let. Poté se tyto zbytky opět objeví na povrchu v důsledku pohybu kůry a destrukce svrchních hornin.

Kromě sedimentárních hornin existují i ​​vyvřeliny, které se objevily činností sopek a tuhnutím jejich magmatu či lávy (například sopečné sklo, čedič a žula), a horniny metamorfované – tehdy původní hornina změny v důsledku různých fyzikálních a chemických reakcí. K poslednímu jmenovanému patří mramor, ze kterého se díky zářivosti a pestrosti barev vyrábí pomníky, nábytek a dekorativní předměty.

Kus horniny, který lze nalézt v různých částech Země, je kámen, tedy pevná fosilie. Mimochodem, skály existují nejen na Zemi, ale také na povrchu jiných planet, satelitů, asteroidů a meteoritů.

Jaký je minerál, který tvoří většinu hornin? Jedná se o přírodní chemickou sloučeninu, která má obvykle formu krystalické pevné látky. Minerály mají jednotné složení a určité vlastnosti, tj. různou hustotu, texturu, křehkost, lesk atd. Můžeme říci, že většina minerálů jsou krystaly, ale ne každý krystal je minerál. Faktem je, že minerály jsou vždy přírodního původu, ale krystal lze vytvořit uměle.

Na Zemi je asi pět tisíc minerálů, z nichž některé jsou velmi drahé. Ty druhé se nazývají drahé kameny. Minerál je považován za vzácný, pokud je vzácný, odolný a krásný. Z takových kamenů se vyrábí šperky a sběratelé (a někdy i zločinci) je loví. V dnešní době se za vzácné považují diamanty (které se po vybroušení promění v diamanty), rubíny, safíry, smaragdy a alexandrity. Méně vzácné minerály se nazývají polodrahokamy. Jsou to například topaz, ametyst, granát, opál atd. Starověcí lidé vyráběli první nástroje z minerálů, poté začaly sloužit jako základ šperků a platidel a ještě později – jako materiály pro stavebnictví a průmysl.

Jak podpořit dětský koníček: Domácí experimenty

Pokud se vaše dítě vážně zajímá o minerály, je na čase zahájit sbírku (buď čisté minerály nebo kameny s různými minerálními inkluzemi). Nejprve prozkoumejte svůj region a zjistěte, jaká plemena jsou ve vaší oblasti nejčastější. Vzorky minerálů lze nalézt v obchodech se suvenýry v muzeích, u řemeslníků a dokonce i v továrnách. Pokud chcete, můžete si je objednat online. A nezapomeňte si přivézt oblázky z rodinných výletů k moři a na hory! Můžete si také zakoupit speciální sadu pro pěstování krystalů nebo si je zkusit vyrobit sami pouze se solí a vodou. Dítě tak bude schopno jasně rozlišit krystaly od minerálů.

Chcete-li rozšířit znalosti svého dítěte, kupte specializovaný atlas, který pomáhá identifikovat kameny podle vzhledu. Když se sbírka začne shromažďovat, můžete přejít k domácím experimentům a výzkumu.

Kolekce je fascinující na pohled pod mikroskopem nebo s lupou. Vyzvěte své dítě, aby porovnalo minerály nebo horniny, které mají identické složení, ale nejsou si vůbec podobné vzhledem a vlastnostmi. Můžete například studovat diamant (tj. broušený diamant) a grafit (olovo tužka), které jsou složeny ze stejného uhlíku. Stejně tak lze porovnat vápenec (ve formě kousku křídy) a mramor, sestávající z kalcitu.

Můžete také nechat své dítě vážit kameny, abyste se ujistili, že jejich velikost a váha spolu nemusí vždy souviset. Další možností je určit tvrdost vzorků podle hloubky stopy, kterou může hřebík zanechat.

Některé skály lze identifikovat tak, že přejedete kamenem po kusu papíru a podíváte se na tloušťku a barvu pruhu, který po nich zůstal. Minerál lze rozetřít i na tvrdý povrch, například na kus kuchyňského obkladu. Proužek, který získáte, nemusí mít ani stejnou barvu jako samotný minerál.

Na přání lze některé minerály přitáhnout magnetem a roztavit pomocí svíčky nebo zapalovače. Navíc má smysl některé vzorky dokonce cítit: inkluze, jako je síra, mohou způsobit vzhled shnilého zápachu.

Nalezený kámen můžete také rozbít kladivem a podívat se, jaké inkluze minerálů jsou na šrotu vidět. S dítětem analyzujte, jak se kámen štěpil: počet úlomků, ostré hrany atd. Nakonec je zajímavé pozorovat kameny ponořením do různých tekutých médií, například octa.

Výsledky všech těchto pokusů je vhodné zaznamenat do geologického deníku. Můžete tam také nalepit obrázky kamenů nebo je nakreslit ze života s celou rodinou.

Starší děti mohou být zapsány do geologického oddílu, pokud nějaký ve vašem městě existuje. Děti pod vedením odborníka studují minerály a pořádají exkurze do praxe i na výstavy do sousedních měst. Pro seriózní pozorování můžete školákovi pořídit Mohsovu mineralogickou stupnici nebo speciální tužku na určení tvrdosti kamene a také černou lupu, se kterou snadno uvidíte inkluze i v průhledných minerálech.

Zajímavosti o horninách a minerálech pro děti

Mnoho minerálů dostalo díky svým odstínům původní latinské, řecké nebo orientální názvy. Například červený hematit je pojmenován po krvi. Někdy jsou minerály pojmenovány kvůli jejich odlišným vlastnostem: například pyrit dostal své jméno od slova „oheň“ kvůli své schopnosti vytvářet jiskry při úderu. V názvech se mohou objevit i rostliny: malachit má podobnou barvu jako list slézu a granátové jablko je podobné zrnům z plodů granátového jablka.

Pro některé lidi mají minerály symbolický a esoterický význam, snaží se s jejich pomocí dokonce léčit nemoci a vstupovat do komunikace s druhým světem. Neměli bychom však zapomínat, že mezi kameny jsou i ty, které jsou pro člověka nebezpečné. Například charoit může být vysoce radioaktivní a rumělka obsahuje hodně rtuti a její škodlivý účinek je podobný rozbitému teploměru.

Vzácné nerosty se dodnes těží ručně. Například k vytěžení jednokarátového smaragdu je potřeba zpracovat asi 20 tun zeminy. Občas se ale stane, že zvířata lidem pomohou. Například v Americe je místo, kde se těží drahý druh granátového jablka. mravenci. Minerál jednoduše vyhodí na povrch, když staví své domovy.

Nejtvrdším minerálem na naší planetě je diamant. Tvoří se hluboko v zemi a vazba mezi jeho atomy uhlíku je velmi silná. Díky tomu je například pomocí diamantového vrtáku možné provrtat jakoukoli horninu. Největší diamant na světě, Hvězda Afriky, váží asi 600 gramů. V našem vesmíru jsou také planety, které jsou téměř celé vyrobeny z diamantu.

Svět kamenů je úžasný: dokáže vyprávět nejen o tom, jak naše planeta funguje nyní, ale také o tom, jaká byla před stovkami tisíc let. Takže nespěchejte, abyste své dítě napomenuli, pokud se znovu hrabe v zemi nebo něco sbírá ze silnice. Díky zájmu dětí o skály můžete vštípit lásku k přírodě a historii a také vyrobit celé rodině spoustu skvělých řemesel z kamenů – od obrazů po šperky.