Имитации алмаза синтетическими минералами. Выращивание иттрий-алюминиевого граната различных цветов в газовой среде Иттрий алюминиевый гранат

Титанат стронция (фабулит)

По сравнению с рутилом этот синтетический камень более подходит для замены алмаза в ювелирных изделиях. Он совершенно бесцветен, оптически изотропен, и его показатель преломления (2,41) аналогичен алмазу. Дисперсия у фабулита (0,1 - 0,2) более высокая, что обеспечивает кра-сивую игру при изменении углов падения лучей света или освещения. Твердость фабулита 5,5 - 6,5, поэтому его целесообразно использовать для изготовления серег или кулонов, а не в кольцах, где он быстрее изотрется.

Синтез титаната стронция осуществляется по известному методу М. А. Вернейля.

После выращивания кристаллы обязательно отжигают в струе кислорода при низкой температуре. За рубежом промышленный выпуск фабу-лита осуществляет фирма "Националь Лед и К°" (США). В СССР фабулит не выпускается.

Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ)

Иттрий-алюминиевая окись (Y 3 A1 5 O 12) имеет структуру граната и чаще называется иттрий-алюминиевый гранат - ИАГ или гранатит. Выращивает-ся ИАГ чаще всего по методу Чохральского, однако хорошие результаты дает и метод кристаллизации из расплава с флюсом. Условия синтеза ИАГа весьма подобны условиям выращивания корунда.

Вначале иттрий-алюминиевый гранат применялся только в технике; добавляя некоторые лантаноиды (в частности, неодим), выращивали кристаллы, используемые в лазерной технике: кроме того, кристаллы ИАГ служат подложкой при синтезе ферримагнитных гранатов, применяемых в лазерной технике и радиоэлектронике.

В последние годы ИАГ широко применяют в ювелирных изделиях. Благодаря добавкам лантаноидов стало возможно получать кристаллы разного цвета - красные, зеленые, желтые, коричневые и др., не встречающиеся в природе. За рубежом ИАГ выпускает ряд фирм, наибольшую по-пулярность имеют гранаты фирмы "Линда" (США).

В СССР ИАГ изготавливают по методу направленной кристаллизации, позволяющему выращивать идеально правильные и чистые кристаллы.

Искусственный гранат образуется при высоких температурах в глубоком вакууме в специальных аппаратах. Завод выпускает светлые гранаты, розовые, желтые и зеленые. Время синтеза - около 4 суток. Ведутся иссле-дования, направленные на получение кристаллов ИАГ любой окраски - от пурпурной и лимонной до чисто-голубой и сиреневой.

Ниобат лития

Ниобат лития - LiNbO 3 - относительно мягкий синтетический камень (твердость около 5,5 по шкале Мооса). Интересен он прежде всего оптическими свойствами, что позволило использовать его в лазерной технике. Показатель преломления его 2,2 -2,3, дисперсия вы-сокая 0,12, что обеспечивает красивую игру камня.

Кристаллы выращивают по методу Чохральского. При добавках в расплав окислов металлов переходной группы можно получить кристаллы различной окраски: при введении окиси хрома - зеленую, окиси железа -красную, окиси кобальта - голубую или синюю. В СССР ниобат лития не синтезируют.

Существует несколько видов синтезированных камней которые не встречаются в природе. Эти кристаллы вырастили случайно когда производили исследования в области физики твёрдого тела. Некоторые из этих кристаллов после огранки начали использовать в ювелирном деле.

Титанат стронция

Одним из таких является синтетический титанат стронция которое вырастили в горелке Вернейля. Титанат стронция имеет химический состав SrTiO3. Титанат стронция как и минерал перовскит (CaTiO3) очень схожи по своей кубической структуре и форме кристаллов. Титанат стронция изотропен, почти бесцветен, имеет показатель преломления в натриевом свете 2,410, дисперсию 0,19 в интервале от B до G, удельный вес 5,1, твёрдость 6. Титанат стронция также имеет и другие названия такие как старилиан, фабулит, диагем. Титанат стронция с бриллиантовой огранкой очень похож на алмаз хотя его легко можно распознать даже по твёрдости или по удельному весу у алмаза он составляет 3,52, к тому же он не флюоресцирует в ультрафиолетовом свете. Из-за того что титанат стронция легко отличить от алмаза его не стали использовать в ювелирном деле.

Ниобат лития

Ещё одно вещество которое не встречается в природе но искусственно можно вырастить это ниобат лития. Ниобат натрия попал на ювелирный рынок Америки под названием Линобат. Ниобат лития выращивают в основном бесцветным но если добавить специальные присадки то он может приобрести цвет от красного до фиолетового. Ниобат лития имеет химический состав LiNbO3. По своим химическим свойствам он очень близок к свойствам титаната стронция. Но в отличие от Титаната стронция это искусственно выращенное вещество не изотропное, а одноосное или по другому тригональное. Ниобат лития имеет показатели преломления обыкновенного луча в натровом свете 2,30, показатели преломления не обыкновенного луча 2.21. У ниобата лития твёрдость 5,5, удельный вес 4,64, дисперсия 0,120 в интервале от B до G, что в 3 раза выше дисперсии алмаза.

Физики синтезировали несколько веществ по структуре очень похожими на гранаты. Такие минералы в природе не встречаются. Эти гранатоподобные вещества имеют химическую формулу X3AL3O12. Эти вещества создают в горелке Вернейля или по методу Чохральского при котором подвешенный над расплавом натуральный минерал в качестве затравки опускают до того момента когда она прикоснётся к поверхности расплава, а затем её поднимают и при этом её вращают. Из-за этого кристалл получается крупным цилиндрической формы. Такой процесс ещё называют вытягиванием из расплава. Самыми востребованными из этих веществ являются Иттрий алюминиевого граната и Даймонэр. Обычно Иттрий алюминиевый гранат и Даймонэр изготавливают бесцветными но можно придать им различный цвет добавив для этого специальную примесь. Например если добавить хром то вещество приобретёт зелёную окраску и станет похожим на демантоид. Отличить синтетическое вещество от демантоида можно по удельному весу так как у вещества удельный вес 4,6, а у демантоида намного меньше.

Фианит отличается от алмаза повышенной плотностью (6 г/см 3 , зависит от вида и концентрации примесей), меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса вместо 10 у алмаза), отсутствием двупреломления.

Бесцветные ограненные фианиты по красоте, блеску и игре цвета зрительно почти неотличимы от настоящего бриллианта. Это обусловлено высокими показателями преломления (2,14 - 2,18), а также высокой дисперсией света - 0,06. Поэтому фианит так любим и популярен. А стоит совсем недорого. Если нужно просто украшение - смело выбирайте фианит!

Украшения с фианитами продаются во многих магазинах украшений. Чаще всего это кольца и серьги.

ИАГ (итрий-алюминиевый гранат) отличается от алмаза более низким показателем преломления (1,832), низкой дисперсией (0,028), большей плотностью (4,65 г/см 3 , значение может варьироваться в зависимости от примесных компонентов) и меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса, 1550 кгс/мм 2 по Викерсу и 1100 кгс/см 2 по данным склерометрии для плоскости {100}).

Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является кристалл Y3AI5O12 [сокращенно называемый YAG (yttrium aluminum garnet, иттрий-алюминиевый гранат)], в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+.

ГГГ (гадолиний-галиевый гранат) - более низкий показатель преломления (на 0,4), резко более высокая дисперсия (почти на порядок).

Промышленно разработанная технология роста кристалла ГГГ позволяет выращивать монокристаллы большого размера и изготавливать из них активные элементы лазеров до 100 мм в диаметре и 200 мм в длину с хорошим оптическим качеством.

В отличие от кристалла ИАГ решетка ГГГ позволяет вводить большую концентрацию примесных ионов неодима и за счет этого повышать КПД генерации лазера при ламповой накачке до 5%, что приблизительно в 2 раза больше, чем в ИАГ лазере. Кроме этого, решетка ГГГ позволяет соактивировать кристалл ионами сенсибилизаторов Сr3+ или Се3+, которые сильно поглощают излучение ламп накачки и передают возбуждение ионам Nd3+, повышая КПД лазера, его радиационную и УФ стойкость.

Синтетический рутил

Синтетический рутил отличает сильная дисперсия, высокий показатель преломления, повышенная плотность, низкая твердость.

Показатель преломления обыкновенного луча (в натровом свете) равен 2,62, необыкновенного - 2,90, дисперсия в интервале В - G равна 0,28. Эти необычно высокие значения создают в камне игру света, превосходящую игру природного алмаза , поэтому ограненный синтетический рутил представляет собой изумительно красивый камень. Но твердость - всего лишь 6,5, это недостаток, другой недостаток состоит в том, что эти камни всегда имеют желтоватый оттенок (а спрос на окрашенные разновидности, в которых плохо видна сильная дисперсия, невелик).

Синтетический камень всегда обнаруживает себя: в нём есть включения в виде газовых пузырьков.

Синтетический шеелит

Синтетический шеелит - более низкий показатель преломления и дисперсия, низкой твердостью, большей плотностью.

Природный натуральный шеелит ювелирного качества настолько редок, что ограненные камни этого минерала (вольфрамат кальция) рассматриваются скорее как коллекционная редкость, чем как серьезный материал для использования в ювелирном деле.

Зато синтетический шеелит, получаемый методом Чохральского, производится в большом количестве в виде крупных прозрачных кусков, и его довольно часто выдают на рынке за природный материал и запрашивают большую цену.

Признаком синтезированного камня может служить наличие изогнутых линий, очень похожих на линии, наблюдаемые в вернейлевской синтетике, а также облака очень мелких пузырьков.

Ниобат лития

Ниобат лития отличается высоким двупреломлением, повышенным удельным весом и низкой твердостью, отсутствием свечения в УФ-лучах.

Ниобат лития (LiNbO 3) - это соединение ниобия, лития и кислорода. Бесцветное твёрдое вещество с ромбоэдрической структурой. Температура плавления 1257 °C, плотность 4.65 г/см³.

Кристаллы ниобата лития оптически прозрачны в области длин волн 0,4-5,0 мкм; показатель преломления обыкновенного луча 2,29, необыкновенного - 2,20 (для длины волны 0,63 мкм).

Кристаллы необата лития, легированные Fe, перспективны для создания голографических систем управления лазерным лучом в качестве плёночных световодов. Волноводы на его основе используются для электрооптических и акустооптических переключающих устройств и т.п.

Фабулит

Фабулит отличается от алмаза твердостью (6,5 по шкале Мооса), плотностью 5,13 г/см 3 (значительно выше, чем у алмаза). Синонимы: диагем, старилан.

Он почти полностью не отличим по показателям преломления, дисперсии (0,190), изотропности, цвету.

Фабулит - синтетический аналог минерала таусонита, титанат стронция. Первоначальный цвет - черный, для осветления и придания прозрачности фабулит подвергают отжигу и получают материал теплых тонов от желтого до темно-красного или коричневого цвета, обусловленного примесями ванадия, хрома, железа и других. Примесь ниобия и тантала придает материалу синий оттенок.

Это очень эффектный ограночный материал.

Блеск стеклянный.

Дуплеты

Помимо всех имитаций и подделок, известны также и алмазные дуплеты: в этом случае верхняя часть камня делается из алмаза, а нижняя - из бесцветного синтетического сапфира, горного хрусталя или стекла; иногда дуплеты под алмаз делают из синтетической шпинели (верхняя часть) и фабулита (нижняя часть).

Алюмо-Иттриевый гранат (АИГ) это оптический материал пригодный для использования в УФ и ИК оптике . Изделия из YAG можно применять в качестве оптических элементов в широкой области спектра от 250-5000 нм. Механические и химические свойства YAG близки к сапфиру, однако YAG не обладает двулучепреломлением и его обработка несколько проще,чем обработка сапфира. YAG не имеет линий поглощения в области 2 – 3мкм, где обычно стекла имеют тенденцию высокого поглощения из за сильных связей молекул воды. Благодаря высоким показателям прочности, порога разрушения, показателя преломления и теплопроводности YAG может быть использован при высоких температурах и в высокомощных лазерах.

Мы используем для нашей оптики высококачественные кристаллы, выращеные по методу Чохральского и горизонтальным методом по выбору заказчика. Наша фирма осуществляет лазерную полировку YAG, изготавливая светопроводы, призмы и зеркала.

Иттрий алюминиевый гранат легированный неодимом (Y 3 A 15 O 12:Nd 3+ )

Алюмо-Иттриевый гранат легированный неодимом( Y 3 A 15 O 12:Nd 3+) - лазерный кристалл, который широко используется в промышленных, медицинских и научных целях. Его основными преимуществами являются: низкий порог генерации, высокий КПД, низкие потери на 1.064 µm , а также высокое оптическое качество, хорошая теплопроводность и устойчивость к перепадам температур, стабильные химические и механические свойства, что позволяет применять Nd :YAG во всех типах твердотельных лазеров.

Спецификация лазерных стержней Nd:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Иттрий алюминиевый гранат легированный эрбием (Er:Y 3 Al 5 O 12 или Er:YAG)

Иттрий алюминиевый гранат, легированный эрбием ( Er :Y 3 Al 5 O 12 или Er :YAG ) - лазерный кристалл, который имеет широкие преимущества при использовании на длине волны 2.94 µ. Er :YAG имеет высокое оптическое качество, высокий КПД , хорошую теплопроводность, стабильные химические и механические свойства. Er :YAG накачивается в широкой области 600 - 800 нм. Все эти свойства делают Er :YAG превосходным материалом для стоматологических и других медицинских лазеров.

Спецификация лазерных стержней Er:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Иттрий алюминиевый гранат легированный иттербием (Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG)

Алюм-иттриевый гранат, легированный иттербием(Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG ) является одним из многообещающих лазерных активных материалов и более удобным для диодной накачки по сравнению с традиционными Nd гранатами. Он может генерировать на длине волны 1,03µ при накачке 940 нм. Основные преимущества Yb :YAG : широкая полоса поглощения, высокая эффективность и превовсодная эммисия. Лазерный материал Yb :YAG широко используется в промышленных лазерах для резки и сварки металлов. Этот кристалл также применяется в электронике, оптике и в лазерных технологиях.

Спецификация лазерных стержней Yb:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Среди ювелирных камней особое место занимают синтетические камни , не имеющие природных аналогов. В течение долгого времени в нашей стране интенсивно развивались технологии выращивания подобных кристаллов, поскольку они находят широкое применение в научных и технических целях, например в лазерной технике, где особенно важны чистота и бездефектность кристаллов. Именно эти свойства в сочетании с возможностью получать кристаллы различных цветов привлекли внимание ювелиров. В настоящее время синтетические камни, не имеющие природных аналогов, широко применяются в ювелирном деле, либо самостоятельно, либо в качестве имитаций более дорогих природных ювелирных камней.

На сегодняшний день наиболее популярными синтетическими камнями , не имеющими природных аналогов, являются

• фианиты,
• иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ),
• зеленые и синие кварцы,
• стекла,
• к числу менее распространенных относятся гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) и ниобат лития.

Иттрий-алюминиевые гранаты и некоторые другие разновидности синтетических гранатов появились в начале 60-х годов и завоевали широкое признание на ювелирном как ограночный материал. Наибольшее распространение среди синтетических гранатов получили иттрий-алюминиевые (ИАГ) и гадолиний-галлиевые (ГГГ). Кристаллы ИАГ и особенно ГГГ находят широкое применение в науке и технике и именно это стимулировало развитие работ по их синтезу и выращиванию. Применению синтетических гранатов как ювелирных камней способствовало разработка экономически выгодных методов их выращивания - методы направленной кристаллизации и зонной плавки.

Иттрий-алюминиевый гранат является единственным из синтетических гранатов, который до сих пор используется в ювелирных изделиях в качестве имитаций ювелирных камней. Беспримесные ИАГ бесцветны, введение примесей позволяет получать различные окраски, например, примесь хрома - зеленый цвет, кобальта - синий, марганца - красный, титана - желтый. Бесцветный ИАГ применяется в качестве имитации алмаза, а зеленый настолько похож на демантоид, что визуально отличить его практически невозможно.

Гадолиний-галлиевый гранат представляет собой прозрачный материал со слабым коричневым оттенком и очень сильный блеском, одно время имел некоторый успех в качестве имитации алмаза. Диагностические свойства ГГГ приведены в таблице. Следует отметить его невысокую твердость, которая не позволила ему получить широкое распространение в качестве ювелирного материала.

Среди внутренних особенностей в синтетических гранатах часто наблюдаются зональность, газовые и твердые включения, блочность и трещиноватость. Диагностика ИАГ и других синтетических гранатов особых затруднений не вызывает.

В последнее время наиболее популярным из всех синтетических материалов, имитирующих алмаз, является фианит - стабилизированная кубическая окись циркония. Впервые кристаллы фианита были выращены в середине 60-х годов в нашей стране в Физическом институте им. П.И. Лебедева А.Н. СССР (ФИАН), в честь которого и были названы полученные кристаллы. Для выращивания кристаллов фианита в настоящее время применяется метод гарнисажной плавки. Обладая набором важных для использования в научных и технических целях свойств, фианиты, тем не менее, очень скоро после разработки метода их получения начали применяться в ювелирной промышленности. Этому способствовали прежде всего красота и поразительное внешнее сходство бесцветных ограненных фианитов с бриллиантами, а также способность их окрашиваться, при введении хромофорных примесей, в различные яркие цвета. Например, примесь европия придает фианитам розовый цвет, железа - желтоватый, кобальта - темно-лиловый, ванадия - зеленый, меди - желтый, а серий - ярко-красный. В последнее время в России разработана технология получения непрозрачных белых, розовых и черных разновидностей, которые выступают как имитации жемчуга, черного халцедона или черного алмаза. На сегодняшний день диагностика фианитов не представляет особых сложностей (к диагностическим свойствам относятся плотность, твердость, УФ-флюоресценция).

Фианиты наряду с синтетическими гранатами являются достойными соперниками природных ювелирных камней. При этом фианиты, характеризующиеся более высокими значениями показателя преломления и дисперсии, обладают более ярким блеском и игрой света, чем, например, иттрий-алюминиевые гранаты.

Следующим синтетическим кристаллом, не имеющим природных аналогов и применяемом в ювелирном деле является ниобат лития , также известный под торговым названием «линобат». Выращивают его методом Чохральского, вытягивают монокристаллы из расплава ниобата в платиновом тигле. Ниобат лития обладает двойным лучепреломлением, но по показателю преломления (см. таблицу) он близок к алмазу. Из-за своего «шелковистого» вида, обусловленного довольно высоким двупреломлением, и низкой твердости, линобат - одна из наименее ценных имитаций алмаза. Бесцветный с чистом виде, ниобат лития может бать окрашен в зеленый цвет примесью хрома, в желтый - примесью никеля, в синий - примесью кобальта и в красный - примесью двухвалентного железа. Вследствие высокого двупреломления ниобат лития может быть легко принят за циркон, однако по этому же признаку его легко отличить от алмаза или демантоида.

В качестве имитаций природных ювелирных камней издавна применялись различные искусственные стекла, и они до сих пор продолжают широко использоваться в ювелирном деле. Под встречающемся в литературе названием «стразы», также подразумеваются стекла. Следует отметить, что существуют также разнообразные природные стекла - молдавиты, обсидиан, лешательерит и др., ниже будут описаны только стекла, получаемые искусственным путем и не имеющие к природным никакого отношения. По цвету стекло может очень точно имитировать большинство ювелирных камней, тем более, что камни с низким показателем преломления обычно имеют стеклянный блеск. Хотя свойства стекол могут варьировать в широких пределах, к настоящему времени выявлены надежные диагностические признаки для определения имитаций из стекла. Наиболее важными являются: включения газовых пузырей (иногда достаточно крупных), аномальное двупреломление (наблюдается не всегда), раковистый излом (стекло является достаточно хрупким), показатели преломления и плотность (эти константы у стекол редко соответствуют константам имитируемых камней), также стекла часто содержат так называемые свили, напоминающие изогнутую зональность.

Среди синтетических камней , не имеющих природных аналогов следует также отметить синий, зеленый кварц и синий синтетический форстерит . Хотя кварц и форстерит встречаются в природе, но перечисленных цветовых разновидностей в сочетании с примесями и процессами, приводящими к возникновению такого цвета, в природе нет. Синтетический кварц выращивают гидротермальным методом. Для получения синего цвета в систему вводят примесь кобальта, а для получения зеленых и коричневых разновидностей - железо.

В целях эксперимента в небольших количествах был синтезирован форстерит, содержащий примесь кобальта. При введении даже незначительного количества данной примеси синтетический форстерит приобретает синюю окраску и сильный плеохроизм в красных тонах, что позволяет ему выступать в качестве имитации танзанита (популярного за рубежом синего цоизита).

В какой-то мере к категории описываемых ювелирных синетических камней можно отнести и камни, имеющие природные аналогами, но природные камни встречаются в виде мельчайших индивидов, поэтому они в ювелирном деле не применяются. Наиболее известным среди таких камней является муассанит , к числу менее известных относится цинкит. Оба имеют высокий показатель преломления. Муассанит с 1996 применяется в качестве имитации алмаза, а цинкит менее распространен поскольку обладает невысокой твердостью.

Изделия с синтетическими камнями, не имеющими природных аналогов, занимают устойчивое положение на рынке в секторе недорогих ювелирных изделий, доступных широкому кругу потребителей. Их свойства (такие как цвет, дисперсия, твердость) и высокие качественные показатели позволяют с успехом применять их в качестве имитаций, т.е. как альтернативу дорогим ювелирным камням. В некоторых случаях эти камни выглядят даже лучше, чем природные камни, например, бесцветный фианит по своей «игре» и блеску при вечернем освещении превосходит бриллиант. Поскольку технологии синтеза находятся в постоянном развитии, мы в праве ожидать появления новых ювелирных материалов и новых разновидностей уже существующих.

Таблица. Диагностические свойства некоторых синтетических камней, не имеющих природных аналогов.

Максим Викторов

Ксения Розенберг

Геммологический Центр МГУ