Искусственные камни: что важно знать

В первой половине XIX века были предприняты первые робкие попытки изготовления искусственных драгоценных камней, а созданные в XX столетии новые технологии уже позволяют получать монокристаллы неметаллических тел и металлов: полупроводников, пьезоэлектриков, ферро- и ферримагнетиков.

Всё это даёт возможность в необходимых количествах производить синтетические кристаллы с самыми разнообразными свойствами и сферами применения. Большую роль в создании синтетических камней сыграли находки в области аналитической химии - в частности, детальный химический анализ драгоценных камней позволил произвести синтез искусственного рубина.
Задача была непростой, ведь окись алюминия, из которой состоит рубин, плавится лишь при температуре 2045 градусов С.

Для получения необходимой температуры была использована кислородно-водородная горелка.

Француз Марк Годен, сплавив соли алюминия и калия, получил первые шарики расплавленной окиси алюминия и придал им красный цвет с помощью дихромата калия. Результат, впрочем, мало напоминал настоящий рубин: кристаллы были мелкими и мутными. Через десять лет после получения первых синтетических рубинов другой француз - Жак Жозеф Эбельман - изготовил белые сапфиры, расплавив окись алюминия в борной кислоте, а Эдмон Фреми вместе с одним из своих учеников синтезировал корунд, сплавив окиси алюминия и свинца.

Полученный расплав алюмината свинца выдерживался при высокой температуре в фарфоровом тигле, в результате чего образовывался силикат свинца, а окись алюминия кристаллизовалась в виде белого сапфира, который после добавления хромовых солей приобретал вид красного рубина.

Ещё лучших результатов удалось добиться Фреми и Огюсту Вернейлю, хотя полученные ими синтетические камни получались мелкими.

Вернейль разработал новую, промышленную технологию синтеза рубинов большого размера, заключавшуюся в плавлении окиси алюминия с добавлением красящего вещества в огне специально сконструированной газовой горелки.

Учёные попытались синтезировать алмаз - самый твёрдый из минералов, однако если для получения синтетического сапфира было достаточно одной лишь высокой температуры, то для превращения графита в алмаз нужно было ещё и огромное давление. Технология требовала достижения температуры 3000 градусов С и давления 7000 МПа, но на стыке XIX и XX веков подобного оборудования просто не существовало.

Синтез корундов осуществляется в аппарате Вернейля, главной частью которого является кислородно-водородная горелка.

Окись алюминия медленно засыпается в сосуд через вертикальную трубку, по которой также подаются кислород и водород. У выходного отверстия трубки газы воспламеняются, создавая температуру, способную расплавить глинозём. На подставке, вмонтированной в перемещающийся в вертикальной плоскости столик, из капель расплава формируется кристалл синтетического корунда грушевидной или конусовидной формы. После получения кристалла необходимой величины подача окиси алюминия прекращается, кристалл охлаждается и отделяется от подставки. Для производства одного кристалла требуется несколько часов.

Кристаллы синтетического корунда достигают высоту 2 - 5 см, ширины 1 - 2,5 см, и массы 50 - 300 карат. Только создание Перси Уильямсом Бриджма-ном и Бальтазаром фон Платеном прессов высокого давления позволило фирмам «АСЕА» и «Дженерал электрик» предпринять попытки синтеза алмазов в промышленных масштабах. После Второй мировой войны начались активные работы и по синтезу других монокристаллов, заключающиеся в попытках вырастить их из жидкой фазы.

В настоящее время ведутся исследования в области преобразования монокристаллов алюмосиликата калия в алюмосиликаты натрия и обратно посредством ионного обмена. Быстрое развитие физики твёрдого тела в последние десятилетия XX столетия стало возможным благодаря разработке новых способов получения больших монокристаллов. Один из методов синтеза последних заключается в кристаллизации из растворов при нормальном атмосферном давлении.

Изготовляется пересыщенный раствор вещества - основного компонента кристалла, например сульфата меди, - и в него помещается зародыш кристалла, которому для более эффективного роста придаётся вращательное движение. Из водных растворов удаётся получить весьма крупные кристаллы, весящие иногда более 20 кг. Не менее распространённым является гидротермальный метод - кристаллизация из водного раствора при большом давлении и температуре более 100 °С.

Так получают, например, кристаллы кварца. Зёрна кварца помещают в пятипроцентный раствор карбоната натрия в нижней части герметично закрытого автоклава, где поддерживается температура около 400 градусов С, а затравочный кристалл размещают в зоне, где температура на несколько десятков градусов ниже. При постоянно поддерживаемом давлении около 120 МПа кусочки кварца на дне сосуда растворяются, а кристалл, температура вокруг которого более низка, начинает расти. Таким образом получают кристаллы берилла, граната, топаза, жадеита и мусковита.

Для выращивания кристаллов металлов, неорганических и органических соединений используют кристаллизацию с охлаждением расплавленного вещества, по составу аналогичного кристаллу.

Устройства, применяемые при этом, существенно различаются, ведь температуры плавления веществ очень отличны - их диапазон составляет от - 271 до 3700 градусов С. Впервые данный метод был применён для кристаллизации монокристаллической металлической проволоки: в печь помещался тигель с расплавленным металлом, температура которого немного превышала температуру плавления; затравочный кристалл окунался в расплав, после чего с небольшой постоянной скоростью поднимался над поверхностью.

Подобным образом выращивают кристаллы полупроводников - германия и кремния.

Существует также способ получения кристаллов путём полиморфных превращений: именно с его помощью из графита, угля или сажи получают искусственные алмазы. Монокристаллы находят широкое применение в оптических приборах, устройствах, регистрирующих ядерное излучение, лазерах и мазерах; нередко они используются и в качестве полупроводников, ферритов, драгоценных камней.

В оптической промышленности из кристаллов изготавливают линзы, призмы, поляризаторы и фильтры. Полезной особенностью некоторых кристаллов - например, кварца или флюорита - является их проницаемость для инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Для производства поляризаторов используют кристаллы кальцита и натриевой селитры.

Счётчики, регистрирующие ядерное излучение, снабжены сцинтилляционными кристаллами, изготовленными, как правило, из йодидов щелочных метал лов. Подобные кристаллы находят применение и в радиохимическом анализе, радиобиологии, при поиске руд радиоактивных элементов. Широкое применение в технике находит явление пьезоэлектричества, то есть возникновения электрических зарядов под влиянием растяжения или сжатия кристалла.

Наиболее часто применяемым пьезоэлектриком является кварц - пластинки из его кристаллов служат стабилизаторами частоты в радиостанциях, используются в телефонной связи и в эхолотах - устройствах, позволяющих определять глубины, устанавливать местонахождение айсбергов или косяков рыбы.

В качестве полупроводников чаще всего используются монокристаллы германия и кремния, а полупроводниковые элементы сопротивления производят из карбида кремния. Изготавливаемые методом спекания ферриты приобретают кроме ферромагнитных свойств и свойства полупроводников; их состав можно легко менять, а во время синтеза при температуре 900 - 1400 градусов С - придавать любую требуемую форму. Монокристаллы имеют большое значение при изготовлении мазеров и лазеров. Применяемые в астрономии мазеры позволяют принимать слабые сигналы, обеспечивая более чем тысячекратное их усиление без искажения.

Данные устройства делятся на мазеры, действующие в диапазоне инфракрасного излучения, диапазоне ультрафиолетового излучения, а также в диапазоне видимого света.

Широко применяются синтетические монокристаллы и в ювелирном деле, а наиболее популярными синтетическими драгоценными камнями являются корунд, кварц и алюмоиттриевый гранат. Каменным литьём называются самые различные элементы - трубы, станины станков, шестерни, - отлитые из расплавленной горной породы. В результате плавления и кристаллизации породы создаётся мелкокристаллическое вещество с техническими свойствами, по многим параметрам превышающими характеристики чугуна, фарфора или стекла.

Первые элементы из базальта и андезита были отлиты во Франции. Исходный материал в зависимости от его состава доводят до температуры 1300 - 1750 градусов С, после чего охлаждают до 800 - 1000 градусов С и разливают в формы. Длительность охлаждения влияет на степень кристаллизации вещества. Кроме базальта и андезита для выполнения каменного литья используются диабаз, амфиболит и некоторые другие горные породы.

Одновременно с развитием промышленности появилась нужда в разработке новых абразивных материалов - порошкообразных или выполненных в виде абразивного слоя, нанесённого на ту или иную основу, так как объёмы добываемого природного корунда уже не могли удовлетворить потребности всех отраслей, в которых он использовался.

Производство искусственных абразивных материалов началось, когда Эдвард Ачесон получил карбид кремния. Немного позже была разработана технология производства искусственного технического корунда путём плавления боксита в дуговой электропечи. В настоящее время продукт более высокого качества - белый электрокорунд - производится из окиси алюминия.

Карстеклобид кремния получают в результате синтеза в электропечи при температуре 2100 - 2400 градусов С из шихты, состоящей из кварцевого песка, угля, соли и древесных опилок.

Бурное развитие номенклатуры искусственных минералов - полуфабрикатов с заданными свойствами или кристаллов различного назначения - иногда вызывает затруднения в части правильного выбора названий. При попытках систематизировать искусственные камни за основу бралась схожесть их структур со структурой натуральных минералов. Шамот, фаянс, фарфор, терракоту, огнеупорные материалы и синтетические монокристаллы сравнивают с метаморфическими породами; имеют свои искусственные аналоги и осадочные породы: это бетон, цемент, силикатный кирпич и гипс.

Основные структуры, а также величина и форма кристаллических зёрен магматических пород схожи с подобными характеристиками таких материалов, как стекло, шлаковый гравий, огнеупорная керамика и композиты.

medbe.ru