Как выращивают драгоценные камни - методы синтеза кристаллов

В современной ювелирной отрасли с успехом отработаны различные методы синтеза драгоценных камней и выращивания ювелирных кристаллов. Все они привязаны к фазовому состоянию и составу среды. Очень обобщенно можно сказать, что кристаллы выращивают из:

расплавов (чистого вещества)
растворов
газовой среды

Процесс синтеза может идти как в результате преобразования исходной твердой фазы, так и путем образования твердой фазы из жидкой и газообразной. Самые известные методы синтеза кристаллов —

расплавные (методы Вернейля, Чохральского, зонной и гарнисажной плавки)
раствор-расплавные (методы флюса, гидротермального синтеза и синтеза ювелирных алмазов при высоких давлениях)

Геммологический центр факультета геологии МГУ на своем сайте дает подробное описание процесса и технологий синтеза ювелирных камней.

В целом можно сказать, что основа получения синтетических ювелирных кристаллов — это процессы кристаллизации, которые в той или иной степени все мы изучали в школе на уроках химии. По сути, это гетерогенные химические реакции, при которых образуются монокристаллы или их поликристаллические агрегаты.

Процесс кристаллизации состоит из двух ключевых этапов: сначала зарождается «центр кристалла», затем происходит дальнейших рост.

Как происходит рост кристалла ювелирного камня?

Кристалл обладает пространственной решеткой, которая и «обрастает» послойно атомами перенасыщенного раствора. Скорость роста кристалла регулируется температурой среды, давлением, скоростью подачи раствора. Если скорость роста небольшая, то внутри кристалла может образовываться так называемая «зональность роста» (похожая на прямые или изогнутые линии). В кристаллах с насыщенной окраской зональность может быть цветовой (то есть, одни грани будут принимать на себя больше примесей, чем другие).

Кроме того, на гранях кристалла могут «оседать» жидкие и твердые включения. Качество выращенного кристалла часто зависит от скорости его выращивания. Медленный рост больше соответствует природному темпу. При быстром стимулируемом росте на гранях остается больше включений, и кристалл может потерять прозрачность.

Промышленные методы выращивания ювелирных камней

Эра промышленного синтеза драгоценных и других ювелирных камней была открыта в 1896 году французским ученым Огюстом Вернейлем. Именно он сконструировал первую печь с горелкой на основе кислорода и водорода, в которой получил первый искусственный рубин. Ниже в таблице можно увидеть перечень наиболее известных и применяемых методов выращивания камней. Камни одного вида, полученные разными методами, могут иметь некоторые отличия.

Важно заметить, что кроме выращивания монокристаллов, существуют методы синтеза поликристаллических структур, из которых состоят такие камни как бирюза и малахит. Свои, достаточно сложные методы применяются и для получения благородного опала, обладающего неповторимым цветовым эффектом (иризацией). Большинство этих методов является коммерческой тайной разработчиков.

Методы синтеза	Примеры получаемых камней
СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА
Метод Вернейля	Рубин, сапфир, звездчатые корунды шпинель, рутил
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
СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Метод газотранспортных реакций	Хризоберилл, фенакит