Узнайте о создании синтетических бриллиантов и о проблемах, с которыми сталкиваются покупатели, определяя, является ли бриллиант натуральным или искусственным.
Специальные методы
Предыдущее обсуждение [Часть 2] охватывает подавляющее большинство материалов. Однако для некоторых кристаллов требуются очень необычные условия роста. (Это, безусловно, относилось к кубическому цирконию, пока выплавка черепа не стала коммерческим процессом!). Пожалуй, самым заметным из них является алмаз.
Алмаз является продуктом чрезвычайно высоких температур и давлений, условий, которые в основном наблюдаются в мантии Земли на глубине 15 или более миль под поверхностью. Основным препятствием для синтеза алмазов был поиск (1) оборудования, которое могло бы обеспечить эти условия, и (2) материалов для изготовления этого оборудования, которые позволили бы самому оборудованию выживать (и поддерживать) эти условия! В период 1850-1950 годов часто заявляли об успехе, но никогда по-настоящему не документировали. За последние 60 лет ситуация изменилась кардинально и необратимо.
Синтетический алмаз
Алмаз изготовлен из чистого углерода. Твердость и оптические свойства алмаза уникальны благодаря его компактной, прочно связанной кристаллической структуре. В течение многих лет считалось, что условиями, необходимыми для получения этой структуры, являются очень высокие температура и давление, аналогичные среде роста природных алмазов. Попытки воспроизвести природный процесс в лаборатории еще в 1880-х годах (Дж.Б. Ханней в Глазго и в 1896 году Анри Муассан во Франции) были безрезультатными.
Неоспоримых доказательств синтеза алмаза, по сути, не было до 1955 года, когда ученые General Electric Co. объявили о прорыве. В 1000-тонном прессе одновременно была достигнута температура 5000 ° F и давление 1,5 миллиона фунтов на квадратный дюйм. В этих условиях алмаз образуется из углерода очень быстро (от секунд до минут). Самые крупные кристаллы, выращенные GE, весили около одного карата, и из них было вырезано несколько мелких драгоценных камней. Однако стоимость изготовления была настолько высока, а процесс настолько сложен, что в то время синтетические алмазы не могли конкурировать с натуральными камнями. Напротив, синтетический алмазный порошок для абразивов было относительно легко производить, и в настоящее время он стал основным и довольно недорогим промышленным продуктом, но производство крупных прозрачных кристаллов алмаза, пригодных для использования в драгоценных камнях, оставалось технологически трудноуловимым и очень дорогим.
До тех пор, пока условия экстремальной температуры и давления, существующие на большой глубине, где алмаз образуется в недрах земли, не были достижимы в лабораторных или промышленных условиях, торговля алмазами оставалась невосприимчивой к разрушительному воздействию нераскрытых синтетических материалов и методов обработки — проблемам, которые преследовали остальной рынок драгоценных камней.
Любопытно, что толчком к производству крупных бриллиантов послужил не только спрос на драгоценные камни. Оказывается, бриллианты являются одними из самых известных проводников тепла. Ограничением миниатюризации микроэлектроники является рассеивание тепла, генерируемого электронами, движущимися в этих сверхмалых схемах. Процессоры современных компьютеров выделяют так много тепла, что у них даже есть собственные охлаждающие вентиляторы! Долгое время предполагалось (и позже было подтверждено), что огромного увеличения плотности компонентов можно добиться, используя алмаз в качестве подложки вместо кремния, что привело к революционному прогрессу в миниатюризации. Огромный размер этого потенциального рынка электроники, полностью затмевающий любое возможное использование драгоценных камней, вдохновил на значительные достижения в методах выращивания кристаллов алмаза.
Первоначально предполагалось, что один из них, известный как CVD (химическое осаждение из паровой фазы), способен выращивать прозрачные монокристаллы алмаза размером с 2-дюймовые кубики! Таким образом, в настоящее время существует долгосрочный потенциал для производства бриллиантов практически любого желаемого размера. Эта (относительно непризнанная) ситуация имеет серьезные последствия для ювелирной промышленности.
Типы алмазов
Бриллианты подразделяются на несколько категорий. Камни типа I содержат азот либо в виде кластеров (тип IA), либо в виде изолированных атомов (тип IB). Все камни типа I являются электрическими изоляторами и имеют полосы поглощения в инфракрасной части спектра. Обычно они флуоресцируют желтым в ультрафиолетовом свете.
Камни типа I могут быть бесцветными, сероватыми или зелеными (редко синими или фиолетовыми), но обычно от желтоватого до коричневатого цвета, и включают камни серии Cape желтоватого цвета, которые составляют подавляющее большинство бриллиантов, используемых в торговле драгоценными камнями. Алмазы типа II не содержат азота и являются хорошими проводниками тепла. Камни типа IIA бесцветны, но камни типа IIB содержат бор, имеют голубоватый (иногда коричневатый или серый) цвет и обладают электропроводностью. Очень редкая категория, называемая HGBV (насыщенный водородом, серого, сине-фиолетового цвета), добывается на руднике Аргайл в Австралии. Камни HGBV содержат водород, а также никель, который чрезвычайно редко встречается в алмазах из других регионов. Голубоватые камни типа I встречаются чрезвычайно редко, и их можно отличить от богатых бором камней типа IIB, потому что они непроводящие и имеют иную флуоресценцию.
Некоторые алмазы являются «аллохроматическими» и окрашены примесями, такими как азот и бор, которые создают «центры цвета», избирательно поглощающие определенный свет. Однако огромный спектр оттенков создается различными видами структурных дефектов, таких как вакансии. Они возникают естественным путем, но также могут быть вызваны широким спектром энергетических процессов.
В 1904 году известный физик Уильям Крукс спрятал несколько алмазов в упаковке с солями радия. За относительно короткое время камни позеленели. К сожалению, они также стали чрезвычайно радиоактивными! Перенесемся в 1940-е годы — к настоящему времени были изобретены ускорители частиц, которые широко использовались в экспериментах по физике высоких энергий. Было обнаружено, что циклотронная бомбардировка (протонами, альфа-частицами и дейтронами) может окрашивать алмазы в зеленый, сине-зеленый и желто-коричневый цвета. Позже было обнаружено, что желтые и коричневые оттенки на самом деле были вызваны нагревом камней в результате бомбардировки. К 1950-м и 1960-м годам циклотроны и LINAC (линейные ускорители) использовались для коммерческого производства цветных алмазов. Проникновение цвета, как правило, было неглубоким и часто имело характерные узоры, и, хотя синие и зеленые камни были нормой, иногда встречались неожиданные оттенки.
Позже для обработки стали использовать ядерные реакторы, но частицы высокой энергии, как правило, проносились прямо сквозь алмазы; однако генерируемые ими вторичные электроны вызывали окрашивание структурных дефектов, точно такое же, как у LINAC. Типичным результатом были синие и зеленые оттенки, которые были изменены на желтые и коричневые при нагревании. Было даже обнаружено, что нагрев алмаза типа IA под высоким давлением может придать ему ярко-желтый цвет, и что желтый оттенок может появиться даже от тепла, выделяемого при полировке алмаза!
Нагрев облученного алмаза «отжигает» материал и изменяет цвет за счет изменения поглощения света центром окраски дефекта, созданного высокоэнергетической бомбардировкой. Нагревание может даже устранить окраску, в случае желтого оттенка камней, содержащих азот. В 1970-х годах компания GE получила патенты на процесс удаления желтого цвета у алмазов. Но в 1990-х годах компания обнаружила, что нагрев под очень высоким давлением работает еще лучше, а также позволяет создавать кристаллы алмаза из углерода в различных формах. (Одним из известных результатов GE было получение алмаза из арахисового масла!). Этот метод «выращивания» алмаза получил обозначение HPHT (высокотемпературный при высоком давлении).
Процесс HPHT
В настоящее время HPHT является широко используемым промышленным процессом и используется компаниями в России, Швеции, Азии и США (в частности, Chatham и Gemesis в Сарасоте, Флорида). Бриллианты могут быть изготовлены в широкой цветовой гамме, и эти цвета могут быть дополнительно изменены облучением и нагреванием. Комбинация HPHT, облучения и высокой температуры теперь способна придать бриллианту практически ЛЮБОЙ ЖЕЛАЕМЫЙ ЦВЕТ. Это создает постоянную проблему для лабораторий драгоценных камней. Проблемы с обнаружением, которые преследовали другие драгоценные камни, теперь применимы и к алмазу. Актуальность этой задачи вынудила крупнейшие испытательные лаборатории разработать методы обнаружения синтетических материалов и обработок алмазов, и до сих пор они не отставали от всех новых технологий. Вот общий обзор продуктов, созданных HPHT.
Алмазы обычно извлекаются из оборудования в виде камней желтого / коричневого цвета (тип IB), а иногда желтого, зеленоватого или оранжевого цвета (тип IIA). Несколько бесцветных камней относятся к типу IIA и могут иметь светло-серый или голубой оттенок, особенно если добавить немного бора. При облучении этих исходных кристаллов, как правило, появляются зеленоватые, желтовато-зеленые или голубовато-зеленые камни. Если исходные камни облучить, а затем отжечь при высокой температуре, камни типа IB могут стать розовыми, оранжевыми, коричневатыми или пурпурно-розовыми. Камни типа IB и некоторые камни типа IA могут становиться красными, фиолетовыми и оранжево-красными. Lucent Diamonds (Денвер) продает бриллианты «Imperial Red», полученные в результате трехэтапного процесса (HPHT-отжиг + облучение + низкотемпературный отжиг). Gemesis занимается массовым производством желтых камней, а Chatham продает синтетические материалы желтых, синих и розовых оттенков. Производитель, нанятый Chatham, по-видимому, использует слегка модифицированный процесс HPHT, поскольку камни менее насыщены и окрашены более равномерно, что затрудняет идентификацию их как синтетических.
Метод HPHT позволяет получать алмазы в достаточно короткие сроки только при использовании флюса; углерод растворяется во флюсе и выпадает в осадок в виде кристаллов алмаза. В качестве флюсов используются металлы: железо, никель и кобальт. Эти металлы довольно часто проявляются в виде микроскопических включений внутри алмазов и являются чрезвычайно полезным средством идентификации. Иногда железо может присутствовать в достаточном количестве, чтобы придать камням магнитный характер! Методом HPHT образуются кристаллы алмаза очень хорошей формы. Мелкие кристаллы (до 3 карат) производятся в течение нескольких дней! Возможны камни большего размера, но для их выращивания требуется больше времени.
Ограничение размера кристаллов в HPHT привело к поиску других методов синтеза алмаза. Исследования тонких пленок еще в 1940-1950-х годах, особенно в России, в конечном итоге привели к процессу, называемому CVD (химическое осаждение из паровой фазы). Всего несколько лет назад компания Apollo Diamond (Бостон) начала выращивать и продавать CVD-бриллианты размером с драгоценный камень. Их технологический процесс разлагает газообразный метан при высокой температуре с выделением углерода, который затем осаждается на подложке при относительно низкой температуре и давлении. Размеры драгоценных камней из CVD-кристаллов варьируются от ближнего [менее ¼ карата] до примерно ¾ карата, но одно большое преимущество по сравнению с HPHT заключается в том, что CVD-бриллианты можно легко сделать бесцветными (хотя также производятся темно-коричневые и причудливые оранжевые и розовые камни). И процесс может быть расширен без огромных затрат. Наличие металлических частиц в алмазе является самым простым доказательством происхождения HPHT. Аномальное двойное лучепреломление, обычная черта природных алмазов, наблюдается только вдоль участков роста синтетических материалов HPHT.
Поскольку искусственные бриллианты обычно имеют кубическую форму (натуральные камни в подавляющем большинстве своем восьмигранные), кубические формы роста, видимые в ультрафиолетовом свете, однозначно указывают на синтетическое происхождение. Другие свойства, которые становятся все более важными, включают спектроскопию (особенно в инфракрасном диапазоне), катодолюминесценцию (CL, флуоресценция под действием пучка электронов) и флуоресценцию в ультрафиолетовом (UV) свете (как SW, коротковолновый, так и LW, длинноволновый).
DTC (компания по торговле бриллиантами, подразделение DeBeers) в середине 1990-х годов разработала несколько инструментов, призванных помочь ювелирной торговле идентифицировать синтетические бриллианты. «DiamondSure» измеряет поглощение видимого и ультрафиолетового света и выдает «pass» (камень натуральный) или «refer» (необходимы дополнительные тесты). DTC утверждает, что машина определяет 100% синтетических материалов HPHT, и только 1-2% натуральных алмазов «направляются» на дополнительные испытания. «DiamondView» выполняет фотолюминесцентную визуализацию (PL) с использованием коротковолнового УФ-излучения и записывает цифровое изображение свечения поверхности. «DiamondPlus» выполняет высокочувствительные измерения с помощью лазеров и спектрометров, камни удерживаются в жидком азоте. (Спектры становятся намного четче при сверхнизких температурах).
Геммологическая литература пополняется статьями и отчетами о новых методах тестирования и новых процессах. Методы CVD используются для нанесения алмазных покрытий на кубический цирконий и другие камни. Новые комбинации облучения и нагрева постоянно испытываются на синтетических материалах, изготовленных всеми известными методами. Трудно даже запомнить все результаты испытаний при проведении оценки.
Обнаружение CVD, HPHT и других синтетических алмазов, являющееся одной из самых больших проблем в мире геммологии, основано на измерении множества свойств, некоторые из которых по отдельности могут быть использованы для вынесения окончательного решения. Кроме того, необходимое оборудование, как правило, сложное и дорогое и находится далеко за пределами досягаемости ювелирных камней и небольших лабораторий. Реально, однозначная идентификация бриллианта как натурального или синтетического может быть должным образом выполнена только крупными испытательными лабораториями. Стоимость анализа достаточно высока, чтобы исключить возможность проверки всех бриллиантов, кроме относительно небольшого количества. Это означает, что, возможно, 99,999% ВСЕХ бриллиантов никогда не будут классифицированы. В качестве потенциального решения предлагалось массовое просеивание, но некоторые методы просеивания позволяют идентифицировать только те драгоценные камни, которые могут быть ненатуральными, и поэтому потребуется дальнейшее тестирование. Разрабатываются новые технологии, которые могут обеспечить несколько более надежное подтверждение. Главный вопрос не в том, «можете ли вы идентифицировать» изготовленный бриллиант. Вопрос в том, «проведете ли вы надлежащее тестирование». Это зависит от стоимости, которая может оказаться непомерно высокой для всех камней, кроме более крупных и дорогих. Несоответствие дает недобросовестным торговцам возможность и стимул добавлять синтетические бриллианты к партиям натуральных камней, полагаясь на их идентичный внешний вид и свойства, чтобы избежать обнаружения. Возможно, что в будущем многие мелкие алмазы будут продаваться без гарантии того, что они произведены в шахте, а не в лаборатории или на фабрике.
