Искусственный бриллиант, фианит, кристаллы сваровски. Алмазный век грядет: Синтетические алмазы

Сегодня человечество научилось создавать несколько разновидностей искусственных бриллиантов, наилучшим из них по праву считается муассанит. Ценность алмаза и получаемого после его огранки бриллианта с давних пор подталкивала людей на поиск и изготовление достойного ему аналога. Так как природа одарила алмаз множеством характеристик, на протяжении нескольких сотен лет эта задача была непосильна, а все попытки замены выглядели лишь жалкими подделками.

Как и из чего получают искусственные бриллианты

Главная проблема при создании алмазов - длительность и сложность процесса. В природных условиях камень образуется тысячи лет под колоссальным давлением от 45000 до 60000 атмосфер и при температуре свыше 900 градусов, поэтому повторить весь процесс в точности с природным практически невозможно.

Первое документальное описание попытки синтезировать бриллианты датируется 1823 годом, когда наш соотечественник Василий Каразин в результате опытов с нагреванием и перегонкой сухой древесины получил неизвестные кристаллы.

Однако официально считается, что впервые камень, с наиболее похожими на бриллианты свойствами, открыл французский исследователь и нобелевский лауреат Анри Муассан. В 1905 году полученный им кристалл карбида кремния, в честь создателя, начал именоваться муассанит. Карбид кремния встречается в природе и за свое космическое происхождение часто именуется звездной пылью, но его естественный размер очень мал и имеет специфическую окраску.

Не оставляя желание создать идеальные бриллианты в лабораторных условиях ученые научились синтезировать более крупные и чистые камни. Искусственно выращенный муассанит нередко называется карбокорунд.

Большой вклад в создание искусственных бриллиантов внесли российские и советские ученые. Основную массу синтетических камней производят по разработанным ими технологиям. Сегодня муассанит получают нескольким способами, однако наиболее чистые и качественные кристаллы карбокорунда рождаются путем многочасового нагревания при температуре 2 400 ºС кристаллического карбида кремния с участием металлического катализатора (железа).

В промышленных масштабах искусственные алмазы, имеющие крупнозернистую структуру, начали производить с середины прошлого века.

Кроме описанного выше термобарического метода, при их создании используется способ осаждения кристаллов из плазмы газообразного углерода под воздействием электрической дуги и редкая детонационная технология, использующая энергию взрывной волны.

Для выращивания бриллиантов в лабораторных условиях используют вещества с высокой концентрацией углерода: очищенную сажу или уголь, графит и т.д. В зависимости от того каким образом был получены такие бриллианты, существует деление на НРНТ-и CVD-алмазы.

Сфера применения и ценность

В большинстве случаев бриллианты, полученные синтетическим путем, автоматически воспринимаются, как подделки и вызывают негативную реакцию. Такое отношение абсолютно неоправданно, так как искусственное выращивание в лабораторных условиях кристаллов имеющих физические характеристики алмазов несет неоценимый вклад в промышленность, развитие высоких технологий и ювелирное дело.

50% используемых в мире бриллиантов имеют синтетическое происхождение и созданы человеком. При этом искусственные алмазы полностью удовлетворяют нужды промышленности, где их доля составляет более 90 % от общего объема используемых камней. Применение алмазов человеком обусловлено их уникальными свойствами:

• исключительная твердость кристаллов применяется для шлифовки, резки различных материалов и бурения породы;
• благодаря долговечности алмазы незаменимы при производстве высокотехнологичного оборудования, компьютерных чипов и микросхем;
• необработанные бриллианты активно используются в работе лазеров и медицинском оборудовании;
• муассанит наивысшего качества и чистоты активно применяется в ювелирном деле.

Цена на искусственно выращенные алмазы варьируется в зависимости от вида и качества камня.

Один из самых дешевых вариантов - фианит, средняя цена за карат у которого начинается с нескольких долларов.

Для сравнения, чек на искусственное творение такого же размера может быть в десятки раз больше. Так, бесцветный муассанит будет не намного дешевле природного бриллианта, а в ряде случаев может быть дороже чем прототип.

Одним из главных критериев для определения цены, так же как и у натуральных алмазов, служит цвет. Чем труднее получить тот или иной оттенок, тем дороже будет конечная стоимость. Из-за применения железосодержащих катализаторов муассанит приобретает желтоватый оттенок. Добиться идеальной прозрачности довольно сложно, поэтому камни чистой воды стоят дороже, чем бриллианты цвета шампанского.

Отличие от природного камня

Муассанит считается самым совершенным аналогом бриллианта, который по своим характеристикам не только повторяет, но и превосходит природный прототип и имеет лишь небольшие отклонения, позволяющие отличить его от натурального алмаза. Одно из главных отличий, по которому можно узнать муассанит, кроется в его внешних характеристиках.

Всем известно, что ценность бриллианта кроется не только в его редкости и твердости, но и в высоком коэффициенте преломления света равном 2,418. Показатель преломления которым обладает муассанит выше на 25 %. Поэтому лабораторный камень с правильной огранкой сверкает в лучах света гораздо ярче. Ограненный алмаз из земных недр также проигрывает выращенному человеком бриллианту в дисперсии, и искрит в десятки раз меньше.

Долгое время не удавалось получить муассанит идеально прозрачного цвета и хотя в сравнении с бриллиантом он не имеет посторонних вкраплений, цвет его всегда отличался желтизной. Несколько лет назад эта проблема была решена и теперь в соревновании чистоты естественные алмазы также проигрывают.

Строение карбокорунда очень близко к бриллиантам, поэтому далеко не каждый прибор может выявить различия между этими близнецами.

Даже опытные ювелиры и специалисты с большим стажем, для того чтобы уверенно говорить о бриллианте как о природном, проверяют камни сразу по нескольким показателям, среди которых: твердость, удельная масса, определение коэффициента отражения, анализ электропроводности и разнообразные оптические тесты.

Чаще всего разницу можно заметить визуальным сравнением двух камней с одинаковой каратностью. Обычно муассанит выгодно отличается и выглядит более искристым и блестящим. Но и этот факт не всегда позволяет определить со 100% точностью, где природные бриллианты, а где нет.

Использование высокотехнологичных бриллиантов в ювелирном деле

Несмотря на то, что муассанит появился совсем недавно, он уже имеет популярность не только как аналог бриллиантов, но и как вполне самостоятельный камень с отличными ювелирными характеристиками, которые встречаются только в алмазах наивысшей пробы. Развитие технологий ведет к тому, что вскоре человек научится контролировать появление цветных алмазов высокотехнологичным путем, что повлечет рождение новой эпохи в ювелирном искусстве. А возможность замены природного камня искусственными бриллиантами рано или поздно снизит рыночную стоимость украшений и сделает их более доступными.

Уже сейчас по своим эстетическим характеристикам лабораторный алмаз не имеет себе равных и не выглядит как имитация.

Ограненный муассанит заслуживает оправы из самых дорогих драгоценным металлов, так как искрится и переливается не хуже бриллиантов. Особенного оптического эффекта сияния и глубины удается добиться в оправе из белого золота, платины и серебра. Искусно ограненный муассанит выглядит благородно в кольцах, колье, браслетах, серьгах и во многих других украшениях. Его роскошный блеск, по сравнению с «более вечерними» бриллиантами, раскрывается в любое время суток.

Прекрасным ювелирным изделиям с такими искусственными бриллиантами, как муассанит покорились практически все города мира, в том числе и Москва. Разнообразие украшений настолько велико, что удовлетворяет вкусам самых взыскательных покупателей.

Кажется, марка De Beers решила последовать известному дипломатическому принципу «не можешь подавить бунт — возглавь его» и стать монополистом не только на рынке натуральных бриллиантов, но и искусственно выращенных камней. Специально для этих целей был создан бренд Lightbox, который будет продавать украшения только с камнями, выращенными в лабораторных условиях. Простые, незатейливого дизайна, дешевые — на каждый день.

«Синтетические бриллианты — не более, чем поветрие и мода, — говорит Брюс Кливер, генеральный директор De Beers. — Они не подходят, чтобы отмечать значительные события вашей жизни, которые хотелось бы запомнить надолго». Ему вторит финансовый директор компании Нимеш Пател: «Такие камни — не что-то уникальное. Потеряв украшение с синтетическим бриллиантом, вы вряд ли сильно расстроитесь. Кстати, это отличная альтернатива для украшения ребенку».

В общем, запуская новую марку, спикеры De Beers сделали все от них зависящее, чтобы репутация лабораторных бриллиантов упала ниже некуда. И это при том, что еще в сентябре 2017 года компания официально заявила, что никогда не будет продавать искусственно выращенные бриллианты, что как раз было понятно и объяснимо: в противном случае это выглядело бы как каннибализация собственного бизнеса.

Есть ли различия?

Тема искусственно выращенных бриллиантов активно подогревается последние два года. Единственный вопрос, который все это время волнует общественность: «Чем же они отличаются от натуральных?»

Правильный ответ — практически ничем. Чистый углерод. Спрессованный миллионом лет геологических процессов или сжатый методом осаждения пара в лаборатории. Причем непосредственно для образования алмаза и в естественной, и в искусственной среде требуется примерно одинаковое время — две-три недели. Просто натуральный потом еще «немного» полежал в земной коре. Химический состав одинаковый. Кристаллическая структура — тоже. В плане визуальной идентичности — бесцветные синтетические бриллианты от натуральных не отличит даже эксперт под 15-кратным увеличением. При особой тренированности может заподозрить — но не более.

«На самом деле, это не совсем так, — рассказывает независимый ювелирный эксперт, 35 лет проработавший в компании De Beers. — При огранке мастер легко отличает натуральный бриллиант от выращенного в лаборатории — для наметанного глаза структура заметно отличается».

Собственно, именно для того, чтобы изучить выращенные человеком алмазы во всех подробностях, компания De Beers пару лет назад организовала собственную лабораторию Element Six по выращиванию и изучению синтетических бриллиантов в британском Беркшире.

Dimitri Otis / gettyimages.com

Сегодня большинство лабораторно выращенных бриллиантов пытаются выдать себя за природные, что и потребовало таких основательных и дорогостоящих исследований от De Beers.

Плохая новость в том, что если искусственный камень не обнаружили эксперты на уровне производства украшения, то в магазине вы это определить не сможете. Хорошая — в том, что вряд ли это сделает кто-то еще, так что вы никогда не узнаете, что вас обманули. Но сама возможность заставляет сильно нервничать не столько покупателей, сколько экспертов и ювелиров — все-таки репутация.

Сколько это стоит?

А вот теперь главный смысл трюка De Beers c брендом Lightbox. До вывода марки на рынок украшения с искусственными бриллиантами продавали несколько американских компаний (которые их же и производили), причем по цене лишь на 30% ниже, чем стоили натуральные камни.

Главным маркетинговым отличием и приманкой для покупателей стала экологичность и этичность лабораторных камней. Во всем остальном новые игроки использовали ту же идею продвижения («ценность для важных моментов жизни»), близкий дизайн, те же огранки. Проще говоря, «синтетика» попыталась сыграть на поле натуральных бриллиантов. То есть претендовала на кусок жирного рынка, который годами дорогостоящих рекламных кампаний вскармливали De Beers, воспитывая в покупателях желание инвестировать в бриллианты, платя за камни значительно больше их реальной стоимости.

«Синтетический» или «выращенный человеком»?

Синтетические бриллианты появились на рынке в крайне неудачном репутационном формате: пытаясь мимикрировать под натуральные в рамках большой партии натуральных мелких бриллиантов весом до полутора карат. А это, как и любое мелкое мошенничество, не могло породить доверия к идее в целом.

Впрочем, искусственные бриллианты довольно быстро поднялись до небольших ювелирных марок, радеющих за экологию и этичность. Самые известные из них — Diamond Foundry (инвесторы Леонардо ди Каприо и Мирослава Дума), Orro, Gordan Max, Innocent Stone, Carat и еще десяток других. Большинство производств расположено в Америке и Азии, хотя есть и одна довольно известная среди профессионалов лаборатория в Сестрорецке — именно здесь два года назад был выращен самый крупный искусственный синий бриллиант весом 5 карат.

Общими усилиями мысль о своеобразной уникальности и ценности синтетических бриллиантов удалось донести до журналистов, которые хватались за идею инновационности и этичности, а затем и до потребителей.

Алмазодобывающие компании объединились в попытках внушить общественности, что синтетические камни не имеют «ни души, ни божественного прикосновения». На рынок были выпущены рекламные кампании «Real is rare, real is diamond». При этом в рекламе показывают камень карат на 20 уникальной чистоты и прозрачности, а сама рекламная кампания, как мы понимаем, рассчитана на покупателей вполне ординарных бриллиантов максимум карат до двух, которые с трудом могут быть причислены к категории редких. Но вот парадокс: чем больше ювелиры и добывающие компании рассказывали о разнице в свойствах, «редкости» и «уникальности» природных камней, тем больше они способствовали популяризации синтетических. К концу года пресса сменила тон со снисходительного на уважительный: эпитет «синтетический» с явным негативным оттенком был вытеснен более привлекательным — «выращенный человеком». Диамантеры забеспокоились всерьез.

Запуская Lightbox, De Beers преследует две простые цели. Первая — создать синтетическим бриллиантам репутацию на уровне стразов — модно, дешево, несерьезно. И вторая, гораздо более важная — опустить их стоимость. Если последние два года цены на синтетику держались на 30% ниже, чем рыночная стоимость натуральных камней (то есть фактически на уровне биржевых цен), то Lightbox будет продавать украшения по цене на 85-90% ниже стоимости натуральных бриллиантов — по $ 200 за камень в четверть карата и $ 800 за карат. Для сравнения, по данным бюллетеня Rappaport за август 2018 года, 0,5 карата среднего качества натурального бриллианта стоит около $ 1500, а 1 карат — от $ 4000 до $ 6000 в зависимости от характеристик. Пока замысел De Beers напоминает короткий победоносный блицкриг, но время покажет.

Искусственные бриллианты – прекрасная альтернатива для тех, кто не может позволить себе натуральные камни, при этом за гораздо меньшую цену вы получаете великолепное украшение, изготовленное из экологически чистого материала. На сегодняшний день различают два основных вида искусственных бриллиантов - синтетические камни и так называемые, заменители алмазов.

Процесс создания синтетического алмаза был разработан в 1892 году французским химиком Анри Муассаном (Henri Moissan). Крошечные частички синтетического алмаза образовывались при нагревании угля или углеродного материала в чугунном тигле до экстремально высоких температур (4000¼ C). На сегодняшний день в изготовлении искусственных бриллиантов используют два основных метода: воздействие на материал высоким давлением при нагреве до высоких температур (HTHP) и метод химического осаждения из газовой фазы (CVD).

Температура плюс давление

Данная технология известна также под названиями HTHP и «GEPOL». В данном случае используется специальная установка в виде тетраэдрического пресса или шестиступенчатого кубического пресса высокого давления. Алмазное «семечко» помещают в рабочую камеру, которая находится внутри пресса, и подвергают воздействию высокой температуры и высокого давления, при этом создаются условия, максимально приближенные к естественным характеристикам процесса образования алмазов в природе. В отличие от натуральных алмазов, температурно-прессовой метод позволяет «вырастить» искусственный алмаз за семь-десять дней. Нередко дополнительная обработка синтетических алмазов температурой и давлением применяется для улучшения характеристик камня и достижения максимальной схожести с натуральным аналогом.

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)

Разработанный в 80-х годах прошлого века метод предполагает условия выращивания кристалла при более низком давлении. В рабочую камеру помещается частица исходного материала, которая затем подвергается комбинированному воздействию температуры и давления, в то время как соединение выпаренной углеродной плазмы и водорода наслаивается на субстрат. Углеродные газы заряжаются микроволновой энергией и притягиваются к исходному материалу. При использовании метода химического газофазного осаждения формирование синтетического алмаза занимает несколько дней.

Выращенные в лабораторных условиях алмазы не уступают натуральным в твёрдости, кливаже (спайности), коэффициенте преломления, световой дисперсии, удельном весе и сиянии. Также как и натуральные алмазы, синтетические варианты могут содержать небольшие включения.

Цветовая гамма и оптические характеристики искусственных бриллиантов

В отличие от натуральных бриллиантов, которые в большинстве своем не имеют цвета, синтетические бриллианты обладают легким желтоватым оттенком и виной тому включения азота, которые рассеиваются в структуре кристаллической решетки во время фазы роста кристалла. Включения азота поглощают голубой спектр светового луча, в результате чего кристалл приобретает желтоватый оттенок.

Заменители бриллиантов

Заменители бриллиантов широко используются в ювелирной промышленности с 1970-х годов, вначале бриллианты заменяли кубически стабилизированным цирконом (фианитом), позже появились такие заменители как муассанит и Nexus. Более сотни лет назад для имитации бриллиантов использовали хрусталь, циркон и белый сапфир, особенно популярны эти камни были в изготовлении перстней в викторианском стиле.

Заменитель бриллиантов Nexus представляет собой соединение углерода с другими веществами. Такие заменители отличаются прочностью и твердостью и сопровождаются утроенной пожизненной гарантией прочности. Материалом для изготовления фианитов служит диоксид циркония. Среди всех заменителей бриллиантов фианит считается наименее прочным и, соответственно, одним из самых дешевых.

Муассанит, который синтезируют из карбида кремния, славится своим блеском и сиянием. Высокая прочность этого заменителя бриллианта, безусловно, отразилась и на его цене, из всех заменителей, муассанит самый дорогой, к тому же этот кристалл обладает определенными внешними особенностями, которые позволяют отличить его от натурального бриллианта.

При сравнении искусственных и натуральных бриллиантов разница, которая видна невооруженным глазом, – это стоимость кристаллов, однако стоит отметить, что белые (бесцветные) синтетические бриллианты нередко не уступают в цене натуральным бесцветным алмазам. Еще одно отличие: в натуральных бриллиантах присутствуют включения и неоднородность, в то время как синтетические варианты практически безупречны.

Сравнительная характеристика

Если вы решили приобрести украшение с искусственным бриллиантом, вам определенно удастся сэкономить кругленькую сумму, но если вы хотите максимально снизить затраты, тогда обратите внимание на изделие с заменителями бриллиантов, они стоят намного дешевле, чем вещицы с искусственными алмазами.

Заменители уступают натуральному бриллианту в прочности и твердости, но в плане сияния и блеска могут составить достойную конкуренцию натуральным кристаллам. К тому же заменители совершенно чисты и лишены каких бы то ни было включений. Муассанит обладает наиболее ярким блеском и интенсивностью бликования, что в некотором роде создает нежелательный для некоторых покупателей эффект «дискотечного шара», фианиты не обладают таким сиянием, как бриллианты, но лучше отбрасывают блики.

Технология производства синтетических алмазов

Развитие исследований по сочанию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений профессора Гарвардского университета П.У. Бриджмена. Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, но при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления превращения графита в алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до 1500 o С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл.

Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной "халфбелт". Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции "белт" .

16 декабря 1954 г. пришел первый успех. Холл позднее писал: "Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 o С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца.

Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз. Катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление достаточны.

Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался "белт" (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Полученные синтетические алмазы были техническими.

Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса.

Согласно патенту "Дженерал электрик", типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 o С под давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 o С за 8 мин. Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400 o С. Также доказано, что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой.

Аппарат высокого давления "белт" компания "Дженерал электрик" впоследствии заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в то же время. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации, требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку. Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.

Параллельно с работами "Дженерал электрик" исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам. В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм и температура до 2760 o С. Размеры алмазов, получаемых в обоими фирмами, были существенно меньше 1 мм. В опытах ASEA образовывалось 20-50 кристаллов размером 0,1-0,5 мм.

В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500 o С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8 мм.

Производство ювелирных синтетических алмазов

Приводим схему аппарата, применявшегося для выращивания крупных кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла.

Не следует думать, что производство синтетических технических алмазов в огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время.

Способы получения ювелирных алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф наконец добился успеха в выращивании алмаза на затравке. Затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания необходимых условий в области его стабильности.

В используемой Уэнторфом методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420 o С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 o С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60 000 атм. Лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.

В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит. Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм/час. Когда размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост может происходить со скоростью 0,04 мм/час и для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней.

Проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать синтетические алмазы большего размера. В настоящее время крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит 1 карат (0,2 г). Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы оказываются дороже или сопоставимы с ценой природных кристаллов аналогичных размеров. На фото вверху представлены синтетические алмазы массой 1 карат, выращенные Робертом Уэнторфом, и графит, использованный как исходное вещество.

Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности знаменитый алмаз "Хоуп", также обязаны своей окраской присутствию этого элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов полезно для понимания некоторых алмазов и способов образования их в природе.

Прямое превращение графита в алмаз

Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. Результаты первых эекспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из "Аллайд кемикл Корпорэйшн", были опубликованы в 1961 г.

Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200 o С и давление порядка 300 000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра). Они сопоставимы с так называемым "карбонадо", встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием высокой температуры, возникающей при прохождении метеорита через плотные слои атмосферы, и мощной ударной энергии, возникающей при ударе метеорита о земную поверхность.

В 1963 г. Фрэнсису Банди из "Дженерал электрик" удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке "белт" с большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000 o С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды), что существенно дольше, чем в экспериментах Де-Карли и Джеймисона. Размеры новообразованных частиц были в 2-5 раз больше по сравнению с получающимися при ударном сжатии.

В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200-102 МПа и температуры до 2000 o С и в графите образуются мелкие (до 10-30 мкм) синтетические алмазы.

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10-102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод независимо был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.

Внимание этих ученых привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре. Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.

Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600-1600 o С, общее давление газа - одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. Помимо алмаза в газовой фазе образовывались скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует дальнейшему осаждению алмаза. Для этого предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000 o С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста алмазов.

Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые для выращивания алмаза этим методом, характеризуются температурой 1020 o С и давлением метана 0,07 мм рт. ст.

Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.

Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в университете штата Огайо. Используемые ими условия роста: температура 1000 o С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. - близки к условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также характерны только для начальной стадии процесса.

Фирмой "Дженерал Электрик" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей.

Облагораживание алмазов облучением

Рассказ о синтетическом алмазе был бы неполным без информации об использовании ядерного облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной разновидности.

Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла альфа-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности альфа-частиц в твердое тело. Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до нового витка развития в конце 40-х годов XX века ядерной физики.

Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электронами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны, обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в инертном газе при 900 o С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных Штатах.

В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип кристаллов назван Iб, тогда как наиболее распространенные отнесены к типу Iа.

Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие азота. К нему относятся наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIа, а очень редкие содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип IIб. Среди алмазов типов I6 и II6 встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.

В таблице ниже приведены сведения о цвете поступающих в продажу облученных алмазов. Вообще имеет смысл облучать только крупные кристаллы, поскольку повышение цены мелких алмазов не оправдывает затрат на их обработку.

Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски распространена достаточно широко, возникла новая проблема. Некоторые даже подконтрольно облученные алмазы в течение длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием примесей долгоживущих радиоактивных изотопов. Насколько эта проблема серьезна - до конца не ясно. Но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует, он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную радиоактивность и об опасном методе облагораживания минерала. В любом случае бесконтрольное облагораживание камней в третьих странах делает эти камни опасными, так как неизвестно, чем именно камень облучали и каковы последствия этого облучения. Покупатель должен иметь выбор осознанно отказаться от потенциально опасной покупки.

Всем давно известен такой прекрасный камень, как бриллиант. Его история насчитывает более 3,5 миллиарда лет. Существует много версий его происхождения. Он обладает невероятным блеском и прочностью, чем и заслужил такую популярность. Существует искусственный и натуральный бриллиант. Так как последний имеет большую рыночную стоимость, создали искусственный камень. Он немного дешевле, но не менее привлекательный. Искусственный бриллиант - камень, который на сегодняшний день пользуется большим спросом. Из него изготавливают различные украшения, которые имеют непревзойденный вид и способны покорить любого ценителя прекрасного.

Описание

Искусственный бриллиант - это заменитель настоящего. Данного вида камень - более доступный по цене, так как настоящий не каждый может приобрести. В наше время благодаря высокотехническому оборудованию можно изготавливать синтетический камень. Он по внешнему виду мало чем отличается от настоящего. Только ювелиры могут отличить подделку от оригинала. Существует несколько видов искусственного камня - это так называемый синтетический минерал и заменитель алмазов. Долгое время ученые по оригинальной технологии создавали такие камни. И только в далеком 1892 году Анри Муассан придумал совершенно новый метод. Он использовал очень высокие температуры, которым подвергался углерод. Так, благодаря этому методу появился на свет впервые искусственно выращенный бриллиант. На сегодняшний день уже существует несколько подобных методов. Первый способ основан на давлении и высокой температуре, а второй связан с применением газовой среды.

Как выращивают камень?

Выращивают искусственный бриллиант в специальной камере. Алмазный зачаток кладут под пресс, соблюдается специальный температурный режим. Спустя семь дней по такому методу можно увидеть настоящий алмаз. Если качество не устраивает изготовителя, то камень снова по такой же технологии обрабатывают. Благодаря прессу и высокой температуре можно получить аналог довольно высокого качества.

Второй способ основан на применении газовой среды. Алмазное семя помещают в камеру с низким давлением. Испаренный углерод и кислород накладывают на частичку бриллианта слоями. Выращивание этими способами позволяет получать аналоги высокого качества, которые мало чем отличаются от настоящего бриллианта. На создание таких камней уходит всего два дня. Когда-то бриллианты заменяли фианитами, муассанитами. Хрусталь и циркон использовали для колец. Так они выглядели изысканно и утонченно на изделиях.

Общие характеристики искусственного камня

Самый известный искусственный бриллиант - это нексус. Он состоит из химического сращивания с другими соединениями. Стоит отметить, что данный аналог обладает высокой прочностью. Производители дают на них практически пожизненную гарантию.

Фианит - самый популярный искусственный бриллиант, созданный в лаборатории. Изготовлен из оксида и циркония. Он имеет красивые внешние данные, но низкую прочность и, соответственно, ниже цену. Если приобрести фианит, то нужно знать, что он со временем может царапаться и будет выглядеть не так, как при покупке. Свойство данного камня - впитывать масла, и это повредит его характеристики. Поэтому за ним нужно тщательно ухаживать.

Искусственно выращенный бриллиант называется муассанит. Он по праву считается самым красивым камнем. Он переливается на солнце и обладает неимоверным блеском. Благодаря ему он и приобрел такую популярность. Соответственно, и по цене он существенно отличается от других бриллиантов, так как он еще и обладатель высокой прочности. Простому человеку не отличить его от настоящего камня. Многие искусственные минералы могут стоить как настоящие. Это касается особенно белых, прозрачных камней, которые с трудом можно отличить от аналога. Следует отметить, что искусственные камни безупречны. Они не имеют совершенно никаких вкраплений и дефектов. Они имеют 100% прозрачность, поскольку выращены искусственно. При этом натуральные камни в природе не бывают идеальными, очень редко когда камень прозрачный на 100%. Искусственные стоят дороже, чем заменители. Поэтому те, кто желает сэкономить на изделии, могут приобрести украшения с заменителем.

Название искусственного бриллианта - муассанит. Такой минерал можно отличить от настоящего камня своим блеском, это его и выдает. Настоящий лишен подобного качества. Конечно, лучше покупать прозрачный искусственный бриллиант. Но если хотите сэкономить, можно приобрести цветные изделия. На сегодняшний день существует огромный выбор различный видов камней, на любой вкус и карман.

Кому подходит камень? Магические свойства

Энергетика бриллианта очень сильная, как и его магические свойства. Носить его желательно людям с сильным характером и духом. Если это фамильная ценность, то он как оберег помогает в различных делах и трудностях. Если это подарок, то очень важно, чтобы женщине его преподнес именно мужчина. Стоит отметить, что одинокой даме не рекомендуется носить данного вида камень. Он может приносить удачу только счастливым людям, супружескую пару он способен оберегать от предательства и обмана, сохранит их любовь на долгие годы.

Астрологи уверены, что бриллиант занимает первое место в зодиакальном калейдоскопе. Он хорошо подходит знакам огненной силы. Также он способен поддерживать равновесие и хорошее настроение. Не стоит его носить таким знакам зодиака: Близнецам, Весам, и Водолеям. Для них он будет действовать противоположно и приносить в их жизнь тоску и уныние.

Лечебные свойства

Также есть версия, что бриллиант обладает лечебными свойствами: укрепляет иммунитет, понижает температуру, утоляет головную боль, борется с бессонницей. Хорошо влияет на нервную систему, может излечить психические заболевания, маразм, склероз. Благотворно влияет на здоровье женщины. Бытует мнение, что зеленый камень помогает женщине забеременеть, облегчат период вынашивания малыша и процесс родов.

Изделия из искусственных камней

Кольцо с искусственным бриллиантом - достаточно красивое украшение. Например, изделие делают с муассанитом. Идеально чистый прозрачный самоцвет позволяет создавать настоящие ювелирные шедевры, от которых трудно отвести глаза. Оптические параметры камня делают его неимоверно сверкающим, способным ослепить своей красотой. Камни в кольцах всегда достаточно большие и прозрачные, не имеющие зрительного отличия от натуральных.

Искусственный бриллиант часто используют для изготовления обручальных колец. Такие изделия являются лидерами продаж. Данного вида камни идеально подходят для ежедневного ношения. Также они будут ярким напоминанием о самом важном и незабываемым дне в жизни. Ухаживать за таким кольцом очень просто. Его периодически нужно мыть с мылом в теплой воде и протирать нашатырным спиртом.

Серьги с искусственным бриллиантом, подвески, браслеты могут иметь один камень или множество маленьких. Все они обладают разными формами, все зависит от фантазии ювелира. Можно заказывать изделия по индивидуальному дизайну. Возможно, вы хотите одинаковые изделия с вашей второй половинкой или напоминание о каком-то важном дне, значимой для вас даты, события.

Браслеты же с муассанитом выглядят особенно роскошно. Ведь в одном изделии такое множество роскошных камней! Конечно, и цена его существенно отличается от других изделий. Но бывают браслеты просто из золота и с подвеской с одним камнем, что также оригинально смотрится. Цена искусственного бриллианта иногда немного дешевле настоящего, все зависит от того, какой он формы и цвета. Примерно 50 - 100 долларов за карат.

Свойства искусственного камня

У данного камня совершенно нет дефектов, он кристально чистый, достаточно твердый, имеет высокую оптическую дисперсию, а также обладает высокой теплопроводностью. Последнее довольно важно для технической примеси. Все остальные характеристики зависят от условий, в которых он был создан.

Кристаллическая структура камня

Алмаз может быть одним большим камнем. А может и иметь множество сросшихся кристалликов. Большие камни широко применяются на ювелирных украшениях и пользуются большим спросом. Поликристаллические алмазы, сделанные из множества мелких зерен, хорошо видны и рассеиваются при солнечном свете, их используют в промышленности как режущий предмет.

Твердость бриллианта

Синтетические бриллианты имеют самую высокую твердость. Слово "твердость" подразумевает под собой сопротивление вдавливанию. Она напрямую зависит от чистоты, наличия дефектов в кристаллической решетке и ее ориентации. Твердость нанокристаллических алмазов может быть 30-70%.

Примеси и включения

Каждый алмаз имеет какие-то примеси из атомов углерода. Они обнаруживаются в достаточном количестве, чтобы определить их аналитическим методом.

Примесей обычно пытаются избегать, но и бывает, что их намеренно вводят. Это делается, дабы изменить свойства алмаза. Когда камни выращиваются в жидкой среде из металла, то это приводит к формированию примесей природных металлов.

Как отличить?

Многие задаются вопросом о том, как отличить искусственный бриллиант от настоящего. Существует несколько вариантов. Искусственный камень может реагировать на магнит, он идеально прозрачный, под микроскопом можно увидеть зернистость, на солнце он не сильно блестит. Если положить его на лист белой бумаги, то вдоль рудниста будет видно белую полосу. Но всегда лучше обратиться к специалисту. Так, невооруженным взглядом, сложно отличить подлинность этих камней.

Небольшое заключение

Теперь вы знаете, что представляет собой искусственный бриллиант, как его выращивают. Кроме этого, мы рассмотрели свойства данного камня. Надеемся, что эта информация была вам не только интересна, но и полезна.