Алхимики от науки
Всю историю своего существования люди пытались не только обрести чудо, но еще и заработать на нем, например получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня (кристаллического белого порошка), способного превратить свинец в золото. И хотя научные труды Фламеля до нас не дошли, в парижских архивах сохранились документы, подтверждающие, что скромный книготорговец внезапно разбогател: скупил 13 домов, большие участки земли в Париже и Булони, построил 12 церквей и несколько больниц.
Впрочем, ученые в то, что кому-либо в Средние века удалось получить настоящее золото или бриллианты, разумеется, не верят — это все сказки. Революция случилась в веке двадцатом, когда техника и технологии достигли необходимого развития. Никакой алхимии, исключительно научный подход.
Как известно, настоящие (природные) драгоценные камни — всего лишь твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, т.н. кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней (за что, собственно, они и ценятся). Чтобы синтезировать аналог природных минералов, ученым необходимо было в лабораторных условиях воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.
Это дело оказалось весьма высокотехнологичным и затратным, но не лишенным смысла — добывающие компании не могли по объективным причинам удовлетворить спрос на камни, а активно развивающаяся промышленность требовала новых алмазов, сапфиров и рубинов. Сейчас мировой рынок синтезированных камней оценивается более чем в $6 млрд; примерно 86% приходится на кристаллы, полученные для нужд промышленности, 14% идет на удовлетворение потребностей ювелиров.
Практически все виды кристаллов синтезируют и в России, но в незначительных объемах. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде — сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом — рубины, в Новосибирске — изумруды. Михаил Борик,
старший научный сотрудник Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН им. А.М. Прохорова: Так исторически сложилось: в каком городе в советское время разработали метод получения того или иного кристалла, там его до сих пор и синтезируют. Новых производств практически не возникло. Но потребность в искусственных кристаллах постоянно растет, и специалистов не хватает.
Хачик Багдасаров: "Оборудование для выращивания кристаллов стоит $300-400 тысяч и начинает окупаться уже на второй год"
Рубиновая лихорадка
В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток наконец удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. С точки зрения коммерции стремление Вернейля получить именно рубин было вполне оправданно — в природе рубинов крайне мало. Сейчас в мире добывается около пяти тонн рубинов ежегодно, между тем спрос исчисляется сотнями тонн (в основном они нужны не ювелирам, а часовщикам).
Исходное вещество, т.н. шихту (порошок окиси алюминия с примесью хрома), Вернейль пропустил через газовую горелку с температурой 2150 °С, и полученный расплав при понижении температуры начал медленно кристаллизоваться, превращаясь в рубин. Очевидные простота и надежность метода Вернейля привели к быстрой организации промышленного производства кристаллов рубина сперва во Франции, а позднее практически во всех высокоразвитых странах. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны, использовать космическое пространство для коммуникации и др.
Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов возможно получать и другие ценные кристаллы — сапфиры и гранаты: вначале исходное вещество плавится при высоких температурах, затем переохлаждается и в результате кристаллизуется. Технология проста и, что самое интересное, доступна, как уверяет Хачик Багдасаров,
заведующий отделом высокотемпературной кристаллизации Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН (занимается синтезом сапфиров, рубинов и гранатов). Тем более странно, что в России синтезом кристаллов занимаются считанные компании и лаборатории при НИИ. Сейчас наиболее рентабельным считается метод Багдасарова, изобретенный в НИИ кристаллографии РАН. Хачик Багдасаров: Я первым применил так называемую горизонтально направленную кристаллизацию для синтеза гранатов еще в 1965 году, и эта технология оказалась существенно экономичнее по сравнению с распространенным методом Вернейля. Объясняется все просто: в себестоимости кристаллов большую часть занимает электроэнергия из-за необходимости поддержания высокой температуры и давления. Когда же синтезируется горизонтальная пластина, а не вертикальный стержень, энергии затрачивается существенно меньше.
Тем не менее, как утверждают специалисты, до сих пор в мире спрос на рубины, сапфиры и гранаты, подстегиваемый развитием электронной промышленности, не удовлетворен. Сапфировые стекла необходимы не только часовым фирмам (особенно швейцарским), для производства иллюминаторов космических кораблей и головок самонаводящихся ракет, но и производителям мобильных телефонов, чья ежегодная потребность порядка 6 млрд стекол! С помощью граната, активированного ионами неодима, производят лучшие лазеры. У ювелиров сейчас особенно ценится гранат зеленого и розового цветов, которые получаются благодаря добавкам соответственно тулия или эрбия (1 кг — $20-25).
Однако спрос на тугоплавкие кристаллы растет только со стороны западных компаний, в России он стремится к нулю из-за упадка производства электроники. Хачик Багдасаров: Больше всего сапфир востребован корейскими (для нужд часовой промышленности) и японскими (для оптики) фирмами. Всего в мире ежегодно синтезируют порядка тысячи тонн сапфиров. Россия в этом деле явный аутсайдер. Например, если до 90-х годов в СССР выращивалось порядка 180 тонн рубинов и порядка 50 тонн сапфиров, то сейчас всего 10-20 тонн рубина, порядка 20 тонн сапфира и 100-120 кг гранатов.
По словам Игоря Алябьева, заместителя директора компании "РОКОР" (занимается производством изделий из сапфира), себестоимость выращивания 1 кг кристаллов сапфира порядка $600, из него можно получить 100 пластин весом 5 г и стоимостью $12 каждая. Синтетический рубин для ювелирной промышленности стоит порядка $60 за килограмм (для сравнения: один карат (0,2 г) природного камня — $50), для технических целей — от $70 за килограмм. При этом чем больше монокристалл, тем он дороже, а себестоимость синтеза ниже. Так, монокристалл сапфира весом до 6 кг оценивается в $5-10 тыс., при этом себестоимость одного килограмма порядка $200 (а продажная цена 1 кг — $500). Рентабельность бизнеса нетрудно подсчитать, и такой порядок цифр касается всех трех упомянутых выше кристаллов. Мировой объем синтеза сапфира около тысячи тонн.
Сейчас наиболее крупные производства синтетических рубинов (сотни миллионов каратов в год) сосредоточены в Швейцарии, Франции, Германии, США и Великобритании. Специальные установки кристаллизации выпускает Таганрогский завод электротермического оборудования. Хачик Багдасаров: Отечественное оборудование стоит порядка $50 тыс., западное — $300-400 тыс. Важный момент: имеет смысл создавать производство минимум с десятью установками для рентабельных объемов. Один цикл производства занимает два-три дня, за которые с одной установки удается снять 2 кг кристаллов. "Отобьется" оборудование уже на второй год.
Идентификация камня
Как уверяет Багдасаров, структура искусственного и натурального камней (как и внешний вид) идентична, и вполне естественно, что лабораторно синтезированные драгоценные минералы интересуют фальсификаторов. "Ко мне лет десять назад приезжал один индус, просил синтезировать неотличимые от натурального камня рубины. Но через какое-то время индус пропал, говорят, его убрали добытчики природных камней. Тем не менее драгоценный камень, идентичный натуральному, для нас не составляет особого труда вырастить. И покупатель никогда не отличит его от природного",— рассказывает он.
Михаил Борик: В ювелирных магазинах хватает изделий из рубинов и сапфиров, полученных в лабораторных условиях. Обычный покупатель на глаз их точно не отличит. Даже большинство продавцов в ювелирных магазинах сами не знают, что продают. Правда, известные производители ювелирной продукции, дорожащие репутацией, никогда не скрывают, где синтетика, а где природа. Тем не менее при покупке дорогого украшения надо всегда требовать сертификат на подлинность камня.
Как уверяет Хачик Багдасаров, когда в середине 50-х наука вплотную подошла к синтезу алмазов, при минфинах всех развитых стран были созданы специальные отделы, контролирующие успехи ученых. Представим, что на рынок хлынут синтетические, неотличимые от природных алмазы — экономика ряда стран просто рухнет, а стратегические запасы алмазов ряда стран превратятся в пыль.
Лучшие друзья бурильщика
Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн карат (примерно 20 тонн) алмазов, и на мировом рынке 1 карат природного алмаза стоит от $55, правда, большая часть камней для ювелирки не подходит по причине дефектов, трещин и посторонних вкраплений, но зато востребована в промышленности, в первую очередь обрабатывающей, нуждающейся в высоких прочностных характеристиках минерала. Тем не менее, как утверждают специалисты, инструментальной, металло- и камнеобрабатывающей отраслям необходимо примерно в четыре раза больше алмазов, чем их добывается, а в ряде высокотехнологичных областей (при изготовлении элементов электроники, датчиков ультрафиолетового излучения) природное сырье использовать практически невозможно по причине присутствия в 98% природных алмазов вкраплений азота. Искусственные алмазы лишены всех дефектов природных, т.к. человек сумел создать для них идеальные условия синтеза.
В 1953-1954 годах ученым из двух независимых исследовательских групп — шведской компании ASEA и американской General Electric впервые удалось синтезировать алмазы размером менее 1 мм. Для этого расплавили смесь графита с железом при температуре около 2500 °С, а затем полученный расплав поместили в твердую сжимаемую среду при давлении 70-80 тыс. атмосфер. Василий Бугаков,
замдиректора Института физики высоких давлений (Троицк; занимается синтезом алмазов): Синтетический алмаз, как и природный, измеряется в каратах, а стоит на мировом рынке порядка $10 за карат, в пять раз дешевле природного. При этом затраты на сырье и электроэнергию составляют всего $5 на карат. Сейчас по выращиванию синтетических алмазов Россия занимает третье место, ежегодно производя 25 млн карат.
Правда, пока алмазы синтезируют только в интересах промышленности — искусственные камни ювелирного качества по своей себестоимости пока превосходят природные. К тому же размер синтезируемых алмазов ограничен 3 мм, т.к. пока просто отсутствуют материалы, способные выдержать столь высокие температуру и давление при больших объемах камеры. Установку для синтеза 200 кг алмазов в месяц можно приобрести за $30 тыс.
В отличие от алмазов синтезированные изумруды используются исключительно для ювелирной продукции, хотя, если объективно, они не отличаются особой красотой из-за отсутствия дисперсии, т.е. разложения солнечного света на спектр, и ценятся исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства (ежегодно в мире добывается всего 500 кг природного изумруда, из них 300 кг на российском Урале).
Получают изумруд в отличие от основной массы кристаллов не из расплава сырья (изумруд разлагается при нагревании), а из раствора борного ангидрида, синтезируя в специальных гидротермальных камерах при относительно низких температурах (около 400 °С) и давлении (около 500 атмосфер). Гидротермическая установка для синтеза изумрудов относительно недорога ($5-10 тыс.), но малопроизводительна (до 10 кг кристаллов ежемесячно). Себестоимость 1 кг изумруда — $100-200, а продажная цена одного карата примерно равна цене камня природного — около $2.
Ежегодно в России, на предприятии в Новосибирске, синтезируется до 100 кг изумрудов, в мире не более одной тонны.
Вопреки природе
В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН), хотя первые опыты по синтезу подобных кристаллов осуществлялись еще в 20-х годах французскими химиками.
Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры (до 98% фианитов производится для их нужд). Для хирургии выпускается скальпель с фианитом ($500) — дело в том, что некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита позволяет избежать аллергической реакции.
Фианиты синтезируются из смеси окисей циркония, алюминия, натрия. Процесс практически безотходный, т.к. осколки и неудачные кристаллы переплавляются заново. Из 100 кг сырья за сутки с помощью высокочастотного генератора (порядка $50 тыс.) получают до 30 кг кристаллов фианита. Прозрачность камня зависит от температуры плавления — чем выше температура, тем прозрачнее кристалл. Елена Ломонова,
заведующая лабораторией Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН: Выращивать фианиты легко и приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена цвета при изменении освещения — т.н. александритовый эффект.
СССР долгое время оставался монополистом по выпуску фианитов, диктуя цены, поначалу доходившие до $3 тыс. за килограмм (хотя вопрос приоритета производства фианитов весьма спорный, американцы его даже оспаривали в судебном порядке). Вячеслав Осико,
директор Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН: Обманным путем из СССР стали вывозить фианиты, выдавая их за бриллианты. Для борьбы с ювелирными махинациями даже сотрудников КГБ обучали отличать драгоценные камни от подделок.
За способность играть всеми цветами радуги ювелиры называют фианит наглым камнем. Теперь во всем мире синтезируют свыше 1 тыс. тонн фианитов ежегодно, а цена их снизилась до $60 за 1 кг. При этом себестоимость килограмма фианита, как утверждают специалисты, порядка $30.
Кристалл будущего
Впрочем, по росту мировых объемов производства и рентабельности за синтезируемым кремнием, незаменимым в микроэлектронной промышленности, солнечных батареях и прочих технологичных устройствах, в обозримом будущем не угнаться ни одному кристаллу. Ежегодно в мире выпускается более 30 тыс. тонн кремния, а по прогнозам, к 2010 году эта цифра удвоится (сейчас кристаллы кремния занимают 80% мирового рынка всех искусственных кристаллов). Тем не менее, как утверждают специалисты, кремния в мире катастрофически не хватает из-за роста производства компьютерной и микропроцессорной техники.
Вячеслав Осико:"В свое время фианиты вывозили, выдавая их за бриллианты"
В России потребление кремния, как и его производство, крайне незначительны все по той же причине сокращения производства электроники. И если в 1990 году в СССР было выращено 360 тонн кремния, то в прошлом году в РФ всего 270 тонн, из которых лишь 50 тонн для внутреннего рынка. Сейчас 1 кг кремния стоит $100, при этом рентабельность производства, по словам специалистов, превышает 100%.
Как уверяет Хачик Багдасарян, инвестиции в производство кремния и в продукты, для выпуска которых он необходим, могут оказаться золотым дном, а сырье для его синтеза (обычный песок) буквально под ногами: "Года три назад в Германии я познакомился с молодым предпринимателем, начинавшим производство солнечных батарей буквально с одного паяльника, а сейчас имеющим ежегодную прибыль €20 млн. Кремний уже давно стал стратегическим материалом, определяющим научно-технологическое развитие страны".
Завлабораторией Государственного научного центра редких металлов Михаил Мильвидский утверждает, что ученые всего мира работают над наращиванием объемов производства кремния, ведь солнечная энергия по сравнению с нефтью, газом и углем дешевая, экологически чистая и бесконечная. Хачик Багдасарян: По прогнозам многих ученых, к концу XXI века до 80% мировой электроэнергии будет вырабатываться из солнечной или ветровой энергии. И кремний в первом случае — материал незаменимый.
Правда, "атомное" лобби в России в этом не заинтересовано, и поэтому, если в мире движение в сторону безопасных и экологически чистых способов выработки электроэнергии давно очевидно, у нас процессы обратные.
ОЛЕСЯ ДЕЙНЕГА, ДМИТРИЙ ТИХОМИРОВ
|
ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Кое-что о бриллиантах Самый дорогой природный камень — алмаз, чья добыча сейчас ведется в 26 странах (крупнейшие из них — Россия, Ботсвана и ЮАР). Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн карат (20 тонн) алмазов. Их высокая цена ($55 за карат) объясняется не только характеристиками камней, но и уровнем монополизации в торговле: как известно, корпорация "Де Бирс" контролирует 70-80% поставляемых на рынок природных алмазов. По данным Минфина, объем добычи алмазов в России в первом полугодии 2005 года составил 17,7 млн карат при средней цене $51 за карат. Экспорт необработанных природных алмазов с территории РФ за январь--сентябрь 2005 года составил 23,6 млн карат, из них доля ювелирных алмазов — 20-25%. ПРЕДРАССУДКИ Тайная сила камней Драгоценные камни исстари служили украшениями и талисманами. Например, египтяне охотно носили украшения из изумрудов, бирюзы, аметистов и горного хрусталя. Римляне выше всего ставили алмазы и сапфиры. Нередко камень указывал на профессию своего обладателя. Моряки верили, что изумруд охраняет от опасностей в дальних плаваниях, турмалин вдохновлял художников, аметист оберегал духовных лиц от соблазна. Считается, что талисманом может быть только тот камень, который был подарен или передан по наследству. |
С развитием технологий человечество научилось ускоренными методами производить многое из того, на что природе нужны тысячелетия. Не стали исключением и драгоценные камни. Так как многие из природных минералов имеют не только ювелирную ценность, но и применяются в различных областях науки и производства, возможность получить кристалл с точно заданными характеристиками оказалась очень привлекательной. Не миновала сия судьба и корунды, известные большей части человечества как . Как получают искусственный сапфир и можно ли отличить его от настоящего камня?
История
История искусственных корундов началась в 1904 году, когда Огюст Верней обнародовал метод получения искусственных минералов при помощи вертикальной горелки, потока воздуха и порошка глинозема. Что интересно, ученый совершил открытие намного раньше, но не стал сразу его обнародовать.
В дальнейшем учеными разных стран были запатентованы другие способы производства искусственных кристаллов. Большой вклад в развитие этих технологий внесли ученые из СССР. В институте кристаллографии Академии Наук СССР им. А.В. Шубникова был разработан способ выращивания корундов с заданными размером и направлением кристаллизации.
В середине ХХ века американской компанией «Линде» был запатентован способ выращивания искусственных сапфиров, обладающих эффектом астеризма.
Различные способы получения
Сегодня существует три самых распространённых метода выращивания кристаллов. Стоит сразу отметить, что они используются для получения не только корундов, но и других минералов, использующихся в ювелирном деле и промышленности.
Метод Вернейля
По принятым сейчас стандартам фамилия этого ученого читается как Вернее, но наименование метода уже прижилось. Суть метода в том, что под воздействием кислорода глиноземная смесь проходит через пламя, плавится и собирается на специальном штифте. После этого штифт снова помещают в пламя, и успевший застыть материал снова плавится, при этом образуются несколько кристаллов. Тот из них, который ориентирован в сторону самого быстрого роста, и становится затравкой для нового камня.
Кристаллы, выращенные таким образом, называются Були. Возможно, это связано с тем, что первые полученные образцы имели округлую форму.
Основан на сильном нагревании вещества, из которого планируется вырастить кристалл в огнеупорном контейнере. После преодоления точки плавления, внутрь помещается затравка будущего кристалла, вокруг которой он начинает образовываться. Во время роста кристалла затравку постепенно поднимают вверх, одновременно вращая вокруг своей оси. В итоге получается узкий и довольно длинный кристалл.
Метод зоной плавки
Еще один способ, ставший в последнее время довольно популярным, это метод зоной плавки. Части контейнера с материалом для будущего камня последовательно нагревают. Благодаря этому растет кристалл.
Научились люди и изготавливать самые ценные сапфиры, звездчатые. Технология была разработана подразделением фирмы «Юнаон Карбайд Корпорейшн» и подразумевает добавление рутила в глинозёмную смесь. Контролировать размер и расположение рутиловых иголок можно, регулируя скорость потока кислорода, проходящего по сосуду с расплавом. Создание кристалла в этом случае осуществляется методом Вернейля.
Как отличить?
Несмотря на то, что современные искусственные сапфиры мало чем уступают природным, некоторые покупатели желают быть уверенными, что приобретают именно натуральный камень.
Существует несколько признаков, по которым можно определить происхождение корунда:
- Цена. Несмотря на то, что искусственные минералы имеют сравнительно высокую стоимость, она всё же намного ниже, чем стоимость природных корундов. Поэтому, если какое-то изделие стоит намного меньше, чем обычно стоят украшения с сапфирами, это искусственный камень. Главный недостаток метода в том, что он работает только в честных ювелирных магазинах
- Сертификат. У каждого камня, использованного в ювелирных целях, есть сертификат, в котором перечислены все манипуляции, которые с ним проводились. Если сапфир искусственный, то это тоже будет указано. Нежелание или неспособность продавца предоставить сертификат – признак того, что покупателю предлагают не природный камень. Причем речь может идти не только о искусственном сапфире, который драгоценным камнем все-таки является, а о более грубых подделках.
- Внешние данные. Как бы парадоксально это не звучало, но искусственные кристаллы намного красивее естественных. Современные технологии позволяют проконтролировать каждый момент роста камня и вырастить кристалл с точно заданными характеристиками. В них не бывает посторонних включений, которые встречаются абсолютно во всех природных сапфирах. Единственное, что может быть заметно в искусственном камне – пузырьки газа.
- Если говорить о кристаллах, обладающих эффектом астеризма, то у естественных звезда на поверхности будет перемещаться , у искусственных – нет.
- Поместить кристалл в емкость, наполненную водой, и поставить на белый лист. Направить освещение сбоку. Прямые полосы – натуральный , искривленные – искусственный.
- В ультрафиолетовых лучах натуральные кристаллы демонстрируют белые блики. У искусственно выращенных этот эффект отсутствует.
Справедливости ради стоит отметить, что искусственный сапфир, все-таки является сапфиром и по своему химическому составу, и по характеристикам. Большую проблему составляют попытки некоторых недобросовестных дельцов выдать за корунды другие, более дешевые ювелирные камни, стекляшки или своеобразные композитные кристаллы, называемые «дуплет» или «триплет». Это склеенные между собой куски природного сапфира (сверху) и стекла или более дешёвых кристаллов (снизу). Обнаружить подделку можно под лупой.
Искусственные корунды – полезный материал, использующийся не только в ювелирных украшениях, но и во многих производственных отраслях. Промышленными методами можно создать идеально чистые бесцветные сапфиры, с которыми хоть раз сталкивался каждый современных человек. Например, из них производят усиленные стекла для различных гаджетов или наручных часов. А цветные искусственные кристаллы весьма достойно смотрятся в различных ювелирных изделиях, при этом они доступны большинству покупателей.
Я постоянно сталкиваюсь с мифами и предубеждениями об искусственно-выращенных камнях.
Почему-то большинству кажется, что это ненадежно, камни плохого качества, и вообще «а вот натуральные…»
При этом стразы Сваровски, стекло и прочие абсолютно не ювелирного происхождения «блестяшки», которые легко ломаются, имеют больший рейтинг доверия.
Лабораторные камни выращивают, а не синтезируют, все, что отличается их от натуральных по свойствам – это цена.
Поэтому я решила подробнее рассказать о процессе производства камней, их свойствах и применении.
Созданием искусственных камней занимались еще в древности. Несколько тысяч лет назад до н. э. в Египте древние люди имитировали природные камни, создавая их из стекла различных цветов. Из таких камней делали украшения. Истории известны факты того, что в Римской империи подобные имитации тоже были популярны.
В Средние века алхимики также делали попытки искусственным путем воспроизвести природные камни, но тщетно. И только в 1758 году известному химику Иозефу Штрассу удалось найти метод изготовления особого стеклянного сплава. Камень не имел цвета, хорошо поддавался огранке и шлифовке. Он был изготовлен на основе оксида железа, кремния, соды, алюминия и извести. Камень назывался в честь имени создателя – стразом.
А позднее, через сотню лет, известному ученому из Франции удалось вырастить синтетический рубин. Ученого этого звали – Вернейль. Он совершил необычайный прорыв в ювелирном мастерстве. Его метод стал основой выращивания искусственных корундов, алмазов и других камней. Чуть позже этим способом научились выращивать сапфиры, изумруды и кварцы.
Искусственные кристаллы используются не только в ювелирных целях. Они также нашли широкое применение в радиотехнике, производстве часов. В наше время искусственные аналоги природных камней добывают новейшими современными методами. Сегодня они делятся на два вида. Первый вид – это те группы камней, которые создаются по аналогу природных: рубин, опал, изумруд, кварц и другие. А ко второму виду относятся камни, чьи аналоги никогда не встретишь в природе. Их придумали советские ученые. Примерами таких камней служат корунд и фианит.
Особое внимание хочется уделить фианиту. Этот кристалл химически стоек, обладает высокой прозрачностью, достаточно огнеупорен. У него неплохие показатели преломления. Фианит имеет большую схожесть с алмазом. Обладая высокой степенью преломления, он способен играть переливами при различных условиях освещения. Учитывая данные особенности, этот искусственный камень дает возможность создавать аналоги драгоценных камней. Фианит под ультрафиолетовыми лучами способен переливаться различными цветами – от желтого и голубого до фиолетового. При Советском Союзе он завоевал огромное признание. Его начали выпускать для различных целей. Он был полезен не только в ювелирном деле, но и в технической промышленности. Из него изготавливают линзы высокого качества для очков и оптических приборов.
Производят синтетические камни при специальном давлении, определенном температурном режиме и особом взаимодействии химических нужных веществ. Интересный момент состоит в том, что из одного искусственного кристалла можно получить несколько других аналогов природных камней. К примеру, из корунда можно получить сапфир и рубин, в зависимости от того, какой вид оксида в процессе изготовления кристалла добавляется.
А жемчуг выращивать ученые додумались весьма интересным способом. Моллюску в раковину внедряют крошечный шарик, и тот, как обычно, начинает слой за слоем накладывать на него переливающийся перламутр. Чтобы вырастить такую жемчужину средних размеров, нужен срок в 5–7 лет. Новых методов на этот счет нет. Сейчас искусственный жемчуг добывают исключительно этим способом.
Над созданием искусственного алмаза трудились многие ученые. Советский физик Лейпуновский сыграл в этих трудах решающую роль. Его знания взяли за основу для создания синтетических алмазов. Так, в 1953 году шведским ученым удалось создать первые в мире алмазы, которые синтезировали из гранита.
Впоследствии различные ученые в разное время изобретали свои методы добычи алмазов из графита, но такие камни были мелкими. Крупный алмаз удалось получить американской компании. Эти камни были высокого качества и подходили для ювелирных целей. Минус этого способа в том, что он очень дорогой. Гораздо дешевле добывать природные алмазы, чем их синтезировать.
Искусственные алмазы применяют в производстве инструментов абразивного назначения. В изготовлении стоматологических боров и шлифовальных головок, брусков, различных кругов и паст, предназначенных для шлифования, стеклорезов и многих других инструментов. За последнее время в создании синтетических алмазов наука сделала прорыв. Удалось создавать ювелирные алмазы крупных размеров.
Все природные камни имеют свои отличия от искусственно созданных. Натуральные камни содержат различные включения минералов, трещины, которые создавались природными условиями. А вот синтетические кристаллы не имеют никаких изъянов. Потому что они создаются одинаково в лабораторных условиях, и это исключает разницу в их строении. Еще одно отличие между природными камнями и их аналогами – это цена. Натуральные камни в несколько раз дороже искусственных. За исключением алмаза. Из-за сложностей в его производстве он по цене не уступает природному алмазу.
Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но, оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Много лет назад люди научились выращивать искусственные кристаллы и теперь широко используют их в украшениях. Я тоже решила попробовать вырастить кристаллы в домашних условиях.
Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Много лет назад люди научились выращивать искусственные кристаллы и теперь широко используют их в украшениях. Я тоже решила попробовать вырастить кристаллы в домашних условиях.
Методы исследования: создание условий для выращивания искусственных кристаллов, наблюдение за ростом кристаллов.
Результат исследования.
Через 3 дня в стаканах с насыщенным раствором медного купороса и поваренной соли на конце ниточки начали расти кристаллы.
Через две недели я вынула нитку с кристаллами поваренной соли. Получились интересное ожерелье из кристаллов.
А ещё через две недели получился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень.
Мой опыт показал, что некоторые вещества, такие как соль и медный купорос, хорошо кристаллизуются в самых простых условиях, поэтому дают возможность вырастить у себя дома искусственные кристаллы. Получив уникальное украшение, любой девочки будет приятно продемонстрировать свою «драгоценность». А его местонахождение пусть станет маленьким секретом.
Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими. В природе кристаллы образовываются в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где есть такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней, а следовательно и их стоимость.
Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Этим занимались алхимики. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня, способного превратить свинец в золото. Создание оптимальных условий для роста и развития кристаллов обеспечивает их получение за короткие сроки.
С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения.
Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани.
До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов. Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Благодаря своей повышенной твёрдости, они используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления. Благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны.
Рост кристаллов из водных растворов происходит при достижении концентрации перенасыщения, при этом из раствора осаждается растворенное вещество. Концентрация перенасыщения достигается разными путями:
– снижение температуры водных растворов (основан на том, что, как правило, растворимость веществ в водных растворах с температурой возрастает, таким образом, при снижении температуры во всем объеме кристаллизатора достигаются условия перенасыщения и из раствора начинают выпадать кристаллы);
– испарение растворителя (схож с предыдущим, однако перенасыщение раствора достигается испарением воды);
В наше время большой популярностью пользуются искусственно выращенные алмазы, изумруды. Они ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов. Практически все виды кристаллов синтезируют и в России. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде - сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом - рубины, в Новосибирске - изумруды.
Из выше перечисленного видно, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Я тоже решила вырастить кристаллы в домашних условиях.
Цель: вырастить искусственные кристаллы в домашних условиях.
1. Дома создать условия для выращивания кристаллов.
2. Пронаблюдать, за какое время можно вырастить искусственный кристалл.
Ожидаемый результат.
Проводя данное исследование, хочу убедиться, что в домашних условиях можно вырастить некоторые кристаллы.
Методика исследования
Создание условий для выращивания искусственных кристаллов.
1. Возьмём стеклянный стакан с горячей водой и понемногу насыплем медный купорос, перемешаем. Добавляем купорос до тех пор, пока он не перестанет растворяться при перемешивании.
2. Возьмём карандаш, на который посередине прикрепим ниточку с крупным кристаллом медного купороса на конце
3. Опустим нитку так, чтобы кристаллик был погружён в раствор. Получим «затравку», на которой и будет расти будущий кристалл.
4. Возьмём другой стеклянный стакан с горячей водой и понемногу насыплем туда поваренную соль, перемешаем. Добавляем соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться при перемешивании.
5. Опустим в стакан карандаш с «затравкой» (крупным кристаллом поваренной соли)
6. Стаканы с растворами поставим в тёплое место в открытом виде.
Наблюдение за ростом кристаллов.
1. Через 3-4 дня посмотрим на изменения в кристаллах.
2. Пронаблюдаем за кристаллами в течение месяца, изменения зафиксируем при помощи фотоаппарата.
Результат исследования.
Через 3 дня в стаканах с насыщенным раствором медного купороса и поваренной соли на конце ниточки начали расти кристаллы. Через две недели я вынула нитку с кристаллами поваренной соли. Получились интересное белое ожерелье А ещё через две недели получился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень
Искусственные кристаллы я аккуратно обсушила бумажной салфеткой и покрыла слоем бесцветного лака, так как при взаимодействии с воздухом кристаллы погибают.
Заключение.
Исследуя данный вопрос, я убедилась, что некоторые кристаллы можно выращивать дома. Мне удалось создать условия, при которых кристаллики поваренной соли и медного купороса стали расти, и превратились в уникальные камни. Искусственные кристаллы очень похожи на натуральные. Я считаю, что они тоже драгоценные, но не потому, что дорогие, а потому, что выращены своими руками.
В настоящее время в России выращивают почти все виды кристаллов. О данном производстве будет интересно узнать на уроках природоведения, кубановедения, географии, трудового обучения. Я убедилась, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный процесс. Уверена, что каждый захочет попробовать вырастить у себя дома это чудо.
Наряду с природными камнями и стеклянными стразами для украшения часов часто используют искусственно выращенные кристаллы. Что это: дешевая подделка или камни, обладающие самостоятельной ценностью?
Бытующее в народе представление о синтетических драгоценных камнях на сегодняшний день мало соответствует действительности. При употреблении этого словосочетания большинство людей представляют себе маленькие безделушки из стекла, цена на которые невелика, а ценность - еще меньше. Конечно, в большинстве случаев искусственные камни действительно дешевле природных. Однако разница в цене зачастую не так велика, в то время как по оптическим и декоративным характеристикам синтезированные человеком камни почти неотличимы от натуральных, а иногда даже превосходят их.
Люди научились искусственно получать очень многие минералы, в том числе когда-то относившиеся к драгоценным камням. Например, дорогой природный рубин в подшипниках часовых механизмов и других точных приборов уже давно заменен на рубин искусственный. Дело не только в цене: промышленное производство нуждается в больших объемах камней с четко определенными параметрами, чего природа дать просто не в состоянии. Именно по этой причине для изготовления резонаторов, являющихся сердцем всех без исключения кварцевых калибров, используются исключительно искусственные камни. Но подшипники и резонаторы скрыты от взгляда покупателя, да и продавец обычно не имеет возможности заглянуть настолько глубоко внутрь часов. Гораздо чаще мы обращаем внимание на их внешний облик, и задаемся вопросами о том, чем именно декорирована та или иная модель. Тем более, что наряду с природными камнями и стеклянными стразами, о которых мы говорили в прошлом номере, все бльшее распространение получают искусственные камни.
Самоорганизующаяся материя
Кристаллы - вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в жестком, строго определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают интересные геометрические формы. Если вы бывали в музее минералогии, наверняка восхищались изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества.
В природе кристаллы могут быть самыми разнообразными как по форме и размеру, так и по цвету. В естественной среде они растут очень медленно, и их внешний облик определяется тем, насколько равномерно и спокойно происходил рост. Разумеется, в мире кристаллов есть и те, что формируются быстро - например, кристаллы соли или льда, но ценности для ювелирного и часового дела они не представляют. Кристаллы начинают образовываться тогда, когда вещество переходит из газообразного или жидкого состояния в твердое. Например, иней, появляющийся на проводах - это кристаллы льда, сформировавшиеся на поверхности металла при охлаждении воздуха.
Схожие процессы происходят и при образовании более долговечных кристаллов: главное условие - равномерное поступление «сырья» для строительства кристаллической решетки. Зарождаясь на глубине в десятки километров, огненно-жидкие расплавы сложного состава проплавляют себе путь в земной коре и, прорываясь ближе к поверхности, постепенно отвердевают, не в силах нагреть все вокруг себя. Именно постепенное охлаждение магмы и ее постоянное добавление создает удивительную возможность для роста самых разнообразных кристаллов.
Химия процесса очень сложна и нельзя сказать, что изучена до конца. Наглядно представить его суть помогает паркетный пол, состоящий из множества плиток. Легче всего работать с плитками квадратной формы - как ее ни поверни, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Гораздо сложнее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы - тогда каждую из них можно уложить на место одним единственным способом. Особенно трудно собрать паркетный узор из досок сложной формы.
Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только здесь частички должны собраться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого «паркетчика» здесь нет - кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они находят его сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и «ищут» подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно». В данном случае «удобство» подразумевает энергетически наиболее выгодное положение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться, и тогда через некоторое время она окажется уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое: частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет «искать», где ей удобнее устроиться.
Таблица 1. Ориентировочная стоимость фианитов различной огранки при крупных оптовых закупках
Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Например, для хлорида натрия эта форма - куб, для алюмокалиевых квасцов - октаэдр. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, рано или поздно он все равно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте он начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. На этом свойстве основан интересный опыт: если из кристалла поваренной соли выточить шар, а потом поместить его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам превратится в куб.
Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека: алмазы, рубины, опалы, топазы, аметисты, изумруды и многие другие. Натуральные кристаллы высокого качества встречаются крайне редко, а потому весьма дороги и чаще всего используются в высококлассных ювелирных изделиях или специальных технических приборах. Например, лазерная техника немыслима без натуральных рубинов, а добыча руды без алмазной крошки, нанесенной на резцы гигантских буров. Во многих более простых случаях оказывается выгоднее использовать не природные, а искусственные кристаллы. Из синтетических камней сделана наждачная бумага и все полупроводниковые элементы, которые являются основой окружающей нас электронной техники. Отдельные кристаллы получили применение в ювелирной и часовой промышленности как более доступная, но эффектная замена натуральных камней.
Каменное богатство
Искусственным путем получают как аналоги натуральных кристаллов, так и те, которых в природе вообще не существует. Большинство синтетических камней повторяют химический и структурный состав своих природных аналогов. Так, одним из популярных синтетических минералов, применяемых ювелирами и часовщиками, является корунд, впервые полученный французским ученым Е. Фреми в 1877 году. В 1902 году его ученик Огюст Вернейль опубликовал результаты исследования собственного способа синтеза монокристаллов из окиси алюминия. Метод Вернейля состоит в следующем: порошок окиси алюминия засыпают в печь при температуре 2150°С, при плавлении алюминий превращается в капли, оседающие и нарастающие на подкладке из огнеупорного материала. Сейчас метод Вернейля активно применяется для изготовления искусственных александрита, аметиста, рубина, сапфира, топаза, аквамарина и других минералов.
Смешивание окисей алюминия и магния с дальнейшим применением процесса Вернейля дает жизнь синтетической шпинели, которая также используется в ювелирном и часовом деле. Для производства шпинели также применяется метод Чохральского, суть которого лучше всего описывает история его открытия. В 1916 году польский химик Ян Чохральский случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом, и когда доставал ее, обнаружил тянущуюся металлическую нить с монокристаллической структурой. Аналогичным образом сейчас в тигель погружают затравку из материала будущего кристалла и начинают очень медленно ее поднимать, в это время на ней наращивается необходимый новый слой.
Рожденные в ФИАНе
Важнейший шаг в индустрии искусственных материалов, имитирующих драгоценные камни, был сделан в нашей стране: в 1972 году учеными Физического института Академии наук СССР был впервые синтезирован кубический кристалл диоксида циркония. Синтетический материал, созданный на основе окислов циркония и гафния, получил имя фианит в честь сокращенного названия института ФИАН. Кристаллы массой 200-400 г образуются в результате постепенного охлаждения расплава, нагретого до 2800°С (метод прямого высокочастотного плавления).
Благодаря сочетанию низкой стоимости и отличных оптических характеристик фианиты произвели мини-революцию: их коэффициент преломления равен 2,15-2,25, а твердость - 7,5-8,5 по Моосу, что предельно близко показателям алмаза. Промышленное производство фианита началось в 1976 году, а уже к 1980-му мировой объем выпуска достиг 50 млн карат в год. Для сравнения, это примерно половина сегодняшней общемировой добычи необработанных природных алмазов.
Советское название «фианит» на мировом рынке превратилось в химическое CZ (кубический диоксид циркония - cubic zirconia). Из-за этого в переводах с других языков фианит часто путают с цирконом или цирконием, что неправильно. Цирконий - это металл, он непрозрачен, и, соответственно, не может быть использован в ювелирных вставках. Циркон - это природный минерал, бесцветный или коричневато-жёлтый, достаточно нежный: его твердость соответствует шести по шкале Мооса, т.е. он легко царапается кварцем. Раньше циркон использовался как имитация бриллианта, но после изобретения фианита уступил ему место, поскольку фианит обладает почти идеальными физическими свойствами, соответствующими самым высоким требованиям ювелирной промышленности.
Помимо прочего, фианит отличается еще и высокой скоростью роста. Так, при искусственном выращивании алмаз прибавляет 1,6-3,2 мм/сут., апатит 6,5 мм/сут., а фианит 8-10 мм/сут. Быстрее него способны расти корунд (0,3- 365 мм/сут.) и кварц (0,06-400 мм/сут.), но они в ювелирной промышленности не используются.
Важнейшей характеристикой лабораторных кристаллов является их цена: синтетические камни примерно в 5-10 раз дешевле природных аналогов. Хотя, конечно, стоимость зависит от каждого конкретного кристалла, его огранки и мастерства ювелира. Так, синтетический рубин стоит в 10 раз меньше, нежели природный минерал, разрыв в ценах искусственного и натурального изумруда не так заметен - всего 2-3 раза. А король камней - алмаз - можно считать исключением в этом ряду: его уникальная структура очень сложна для лабораторного производства, поэтому стоимость синтетических алмазов часто совпадает с ценами на экземпляры натурального камня.
Кстати, стоимость фианита при оптовых закупках может сильно удивить неискушенного читателя. По данным одного крупного поставщика различных декоративных камней.
Исследования искусственных кристаллов постоянно продолжаются. В 1995 году в США появился еще один материал, соперничающий с натуральными бриллиантами - карбид кремния, получивший название муассанит. Новый синтетический кристалл, разработанный учеными из университета Северной Каролины, был выведен на рынок компанией Charles & Colvard, и теперь вовсю старается отвоевать позиции у более привычных искусственных камней и их аналогов природного происхождения. Так что химики остаются серыми кардиналами ювелирной промышленности, создавая новые соединения, способные значительно повлиять на ценообразование, моду и общую ситуацию на рынке.
