Как сделать рубин
Обновлено: 07.07.2024
Многие цветные драгоценные камни можно воссоздать в лабораторных условиях. История их искусственного производства гораздо длиннее, чем у бриллиантов. Тема Главы 1- искусственные (синтетические) рубины, сапфиры, изумруды, шпинель и кварц, и технологии синтеза.
Рубины и сапфиры
По химическому составу рубин – это оксид алюминия, красную окраску которому придает присутствие хрома. Часто искусственные рубины получают методом простого расплава оксида алюминия с небольшими добавками хрома. На выходе мы имеем кристалл с точно такой же атомарной структурой, с точно такими же оптическими свойствами, твердостью и химическим составом, как и у настоящего природного рубина. Но лишь с одной существенной разницей: местом происхождения. В одном случае это лаборатория, а в другом – недра земли. Как видно на фото ниже, внешний вид синтетических камней может быть идеальным и совершенным.
Долгое время рубин и сапфир считались наиболее ценными и востребованными драгоценными камнями. К тому же никогда этих драгоценных камней не добывали в достаточном количестве, чтобы полностью покрыть мировой спрос на них. Ничего удивительного нет в том, что амбициозная цель их искусственного создания вполне оправдывала средства. Самые первые опыты в этой области были проведены Марком Годеном в середине 19 века во Франции, хотя ему так и не удалось создать корунд ювелирного качества.
Коммерческая технология производства искусственных рубинов была разработана в Париже, Эдмундом Фреми. Все полученные им рубиновые кристаллы были очень мелкими и могли полностью уместиться в тонком и неглубоком блюдце. Но их производство было дешевым. В больших количествах такие рубины широко применялись в часовых механизмах и в приборных подшипниках. Однако технология не позволяла вырастить крупный и насыщенный по цвету драгоценный камень. В последнее десятилетие 19 века, один из ассистентов Фреми, Огюст Вернейль, разработал новую технологию выращивания искусственных рубинов. Метод Фреми предполагал растворение оксида алюминия в соляном расплаве, и в процессе постепенного охлаждения происходила кристаллизация рубинов. Принцип метода Вернейля уже был описан выше.
Иными словами, получить рубин можно, добавив щепотку хрома в оксид алюминия. Для получения сапфиров требуется больше компонентов, так как сапфиры имеют более разнообразную цветовую палитру. Технология Вернейля годится для выращивания кристаллов всего семейства корунда, главное – правильно составить исходную смесь и экономическая целесообразность, которая в случае с рубинами и сапфирами очевидна и не вызывает сомнений.
Интересно отметить, что конструкция плавильной печи Вернейля не претерпела принципиальных изменений с момента ее первого представления широкой публике - с 1904 года. Ее с тех пор автоматизировали, так что теперь задействовано минимальное количество персонала для обслуживания множества таких электрических печей.
В настоящее время существуют производства в Германии, Франции и Швейцарии, которые имеют в своем распоряжении порядка 1,000 единиц оборудования, работающих круглосуточно. Крупные промышленные производства есть в Китае, России, Таиланде и много где еще в мире. Производительность всех этих заводов измеряется не в каратах, а в тоннах, и цена драгоценного искусственного корундового сырья очень низкая – в пределах нескольких центов ( USD ) за карат. Кристалл, выращенный таким образом, называется буля. Дальше происходит его машинная или ручная (там, где стоимость рабочей силы низкая) огранка , и камни массово поступают в ювелирные торговые сети.
Драгоценные синтетические корунды, полученные методом кристаллизации в пламени
Наверное не все догадываются, что камни (драгоценные камни) , продающиеся в ювелирных салонах и магазинах, имеют искусственное происхождение, также как и упаковочные бумажные пакеты невозможны чисто из целлюлозы - без ламинирования.
Конечно же это вовсе не означает что продавцы нас водят за нос. Камни, выращенные в лаборатории почти не отлючаются от камней добытых в шахтах и на рудниках. Зачачстую природные рубины и алмазы не подходят для ювелирных украшений, искусственные же их собратья, при должном процессе производства будут иметь нужные нам химический состав и физические свойства. Производство таких камешков гораздо дешевле и безопаснее добычи в шахтах. Это как печать пакетов на современной производственной линии и раскраска каждого кисточкой ;). Если кто то выращивает их, то почему бы и нам с вами не попробовать заняться тем же самым в домашних условиях? Вы наверное скажете, что это не возможно, я тоже так думал в самом начале. Долго я шарил в интернете, изучал разные методики, ломал голову (не секрет, что поисковые системы заспамлены коммерческими запросами - даже чтобы найти в Нижнем Новгороде бумажные пакеты, приходится сильно конкретизировать запрос - бумажные пакеты Нижний Новгород) . В итоге я наткнулся на одном из сайтов на метод французского ученого Югуста Вернейля.
Около ста лет тому назад этот изобретатель состряпал установку, которая позволяет за два-три часа вырастить кристалл рубина массой двадцать-тридцать каратов. Это открытие не только дало возможность выращивать такой драгоценный материал как рубин, но и привело, в дальнейшем, к синтезу и других искусственных камней. Почти полувековая история исследования по синтезу рубина предшедствовала этому открытию. При первом взгляде на аппарат, который придумал Вернель, вы начинаете думать, что его собрать в домашних условиях нереально, но не забывайте со дня открытия прошло более ста лет, так что при наличии современных электрических и механических ноухау задача упрощается в разы. В кухонных условиях можно вырастить не только рубины, но и топазы разных оттенков. Перейдем к экономической части. И так за два-три часа мы выращиваем рубин массой двадцать-тридцать каратов, это 3 кВт-часа электроэнергии (около 10 рублей) , стоимость 6 граммов порошка окиси алюминия и 0,2 грамма окиси хрома вообще больше 50 копеек стоить не может.
Согласитесь, даже необработанный камень стоит гораздо больше двадцати рублей. Упаковка? Даже красочный ламинированный бумажный пакет стоит не дороже тридцати рублей. Вы скажете почему же я тогда так просто расскрываю вам этот секрет? Я вам отвечу, камни всегда стоили, стоят и будут стоить очень дорого, так что не думаю, что моя статья повлияет на их стоимость..
Причины для этого были весомыми. Природные рубины высокого ювелирного качества редки, а потому стоят десятки тысяч долларов за карат. В древности их могли позволить себе только очень состоятельные люди — монархи, аристократы, знать.
Синтетический рубин не менее красив, чем природный, а стоит намного дешевле. Но важна не только цена: технологии синтеза позволили получать кристаллы нужного размера и массы, что сделало возможным создание лазеров на твердотельной основе. Без синтетических рубинов не было бы современной звукозаписи, лазерной хирургии и электротехники.
Как развивались технологии синтеза
Первые попытки синтезировать рубин пришлись на середину XIX века. В 1857 году химик Марк Годен сплавил в глиняном тигле алюмокалиевые квасцы с хроматом калия, и получил кристаллы массой порядка 1 карата. Мелкие кристаллы смогли получить и другие исследователи — Х. Сенорман, Дж. Эбельман, но все эти попытки не имели практического значения.
Прорывом стала методика, предложенная французским химиком Огюстом Вернейлем. Он разработал технологию, позволяющую выращивать кристаллы рубина массой 20-30 карат всего за пару часов. Вернейль не реконструировал природные камни низкого качества, а синтезировал рубины из расплава фторидов бария и кальция с добавлением оксида хрома, позднее — из чистого оксида алюминия.
Метод Вернейля оказался настолько простым и надежным, что привел к запуску массового производства синтетических рубинов. Практически в неизменном виде он применяется и до сих пор, хотя с момента изобретения прошло уже более 100 лет.
Тем не менее, разработка новых технологий синтеза не прекратилась. Позднее появились методы, позволяющие получать крупные кристаллы с высокой степенью чистоты и совершенной структурой — метод Чохральского и метод зонной плавки. Также рубины синтезируют флюсовым и гидротермальным методом, хотя широкого распространения они не получили.
Как рождается синтетический рубин
Метод Вернейля позволяет выращивать кристаллы почти так же, как растут сталагмиты в пещере. Мелкоизмельченный порошок алюминия, или шихта, сыплется тонкой струйкой в специальную печь, где попадает в пламя гремучего газа. Пламя разогрето до очень высоких температур — более 2000 градусов, поэтому порошок расплавляется. Капли расплава стекают вниз, на подставку с затравкой, кристаллизуются, формируя корундовую булю.
Метод Чохральского используется, если нужны рубины высокого ювелирного качества. Кристаллы получаются более однородными, с меньшим количеством газовых пузырьков и включений, низким уровнем остаточного напряжения. Вместе с тем, метод Чохральского затратнее: для его применения необходимо дорогостоящее оборудование, а также тигли из тугоплавких металлов — например, платины.
Рубин RusGems выращенный методом Чохральского
Свойства синтетического рубина
Синтетический рубин не уступает по физическим и оптическим свойствам природному. Он имеет твердость 9 баллов по шкале Мооса, что делает его одним из самых твердых минералов. По показателю твердости рубин уступает только алмазу и муассаниту.
Технологии синтеза позволяют воспроизводить и оптические свойства, характерные для природных камней. Так, методом Вернейля могут быть получены звездчатые рубины — камни с эффектом астеризма. Для этого в шихту вводят небольшое количество окиси титана, а полученные кристаллы подвергают отжигу. Внутри рубина формируются тонкие иголочки рутила, которые могут располагаться по-разному. Если они выстраиваются концентрическими кольцами, то выглядят как многолучевая звезда, если ориентируются только в одном направлении — напоминают кошачий глаз.
Характеристики камня
Стоимость природного рубина зависит от 4-х показателей: цвета, чистоты, массы и качества огранки. Стоимость синтетического — от массы и цвета. Это не значит, что по другим характеристикам он уступает природному камню: зачастую все ровно наоборот.
Цвет рубина обусловлен наличием оксида хрома в составе. В зависимости от его концентрации, а также наличия других примесей, рубины бывают:
- красными;
- красно-розовыми;
- красно-коричневыми;
- красно-пурпурными.
Оксид хрома вводится в шихту еще до начала формирования кристалла. Концентрация определяется оттенком, который нужно получить. Например, в рубинах темно-красного цвета максимально допустимое содержание оксида хрома достигает 3%. Большее количество приводит к помутнению кристалла и появлению трещин.
Синтетические рубины глубокого красного цвета без малинового подтона получить сложно, и потому они ценятся выше.
Чистота
Чистота рубина, то есть наличие сторонних включений, зависит от выбранного метода синтеза. Недорогой метод Вернейля приводит к образованию большого количества газовых пузырьков, внутренних трещин и других дефектов. Они не всегда заметны без увеличительного стекла, но все же могут испортить впечатление от украшения.
В рубинах, выращенных методом Чохральского, включения встречаются намного реже. Лучшие кристаллы содержат не более одной частицы размером от 0.5 мкм на 1 см3.
Масса
Метод Вернейля используется для синтеза рубинов небольшого размера. С его помощью можно получить и крупные кристаллы, но с высоким уровнем внутреннего напряжения. Для синтеза рубинов длиной 20-30 см и диаметром до 20 см применяют метод Чохральского.
Форма огранки
Синтетическим рубинам придают любую требуемую форму огранки:
Форму выбирают таким образом, чтобы подчеркнуть лучшие качества конкретного экземпляра: насыщенный цвет, блеск, игру. Рубины с эффектом астеризма, кошачьего глаза или шелковистостью обрабатывают кабошоном.
Как отличить природный рубин от синтетического
Синтетическим рубинам свойственны включения рутила и других легирующих присадок, а также кристаллы иридия, вольфрама и молибдена — металлов, которые используются при создании тиглей кристаллизационной установки. Для кристаллов, полученных методом Вернейля, характерны многочисленные газовые пузыри разной формы — удлиненные, колбообразные, сферические.
Рубины, синтезированные методом Чохральского, отличить от природных сложнее. Опытный специалист может заметить неоднородность роста кристалла, обусловленную способом его формирования. Но без геммологической экспертизы, только по внешнему виду, выращенный рубин почти не отличим от природного.
Чем ценен синтетический рубин
Синтетический рубин — первый драгоценный камень, который удалось создать человеку. Удачный опыт вдохновил других исследователей на разработку методов синтеза кристаллов. Не будь синтетических рубинов, человек вряд ли научился бы синтезировать сапфиры, изумруды, алмазы.
Синтетический рубин используется не только в ювелирном деле. Крупные монокристаллы востребованы в часовой промышленности, ткацком производстве, металлургии. Главный элемент большинства современных лазеров — рубиновый стержень, и сделан он из синтетического кристалла.
Рубин, выращенный в лаборатории, так же красив, как и природный. Технологии синтеза позволяют воспроизводить полный спектр цветов драгоценного камня, а также получать образцы с интересными оптическими эффектами. Стоимость синтетического рубина при этом в десятки раз ниже, чем природного.
Рубин — это драгоценный камень, но состоит он из довольно простых веществ. Почти полностью этот камень состоит из оксида алюминия и имеет совсем чуть-чуть оксида хрома в своем составе.
Итак, рубин почти на 100% состоит из оксида алюминия, а оксида хрома в нем может быть от сотых долей процента до 2-ух процентов. Чтобы цвет камня получился как можно более насыщенным, сделаем 2-х процентную концентрацию.
Для дальнейшего превращения смеси в синтетический рубин потребуется очень высокая температура. Проще всего достичь ее можно с помощью сварочного аппарата. Помимо самого аппарата, потребуются еще и угольные электроды, причем от медного покрытия необходимо избавиться, но благо оно достаточно просто удаляется без каких-либо специальных инструментов.
Сварочный аппарат способен создать дугу с по настоящему огромной температурой, которая может запросто расплавить практически все, что угодно.
Берем небольшое количество рубиновой смеси и насыпаем на небольшой кусок графита.
Теперь смесь необходимо разогреть дугой, но делать это нужно очень аккуратно. Дуга — это поток раскаленной плазмы, и она просто сдувает смесь, но не всю.
Как видите, небольшое количество смеси все же плавится. После нагревания смесь приобретает явный красный оттенок, а это значит, что окись хрома растворилась в оксиде алюминия. В результате воздействия высокой температуры образуются вот такие небольшие красноватые шарики.
Получившиеся таким способом красные капли, имеют точно такой же состав, как и у рубина. Но они не такие же прозрачные, потому что из-за быстрого остывания получается большое количество мелких кристаллов, а рубин, это один цельный кристалл. Но зато в ультрафиолете, полученные кристаллы, светятся так же, как и настоящий рубин.
Ну что же, теперь давайте попробуем сделать камни побольше и более прозрачные.
Для эксперимента автор попробовал взять графитовый тигель.
Он насыпал смесь в него, но из-за того, что смесь в виде порошка, между крупинками находится, который при таком плавлении, так и остается внутри слитка. Воздух попросту не может выйти на поверхность, из-за чего камень получается довольно пористым.
Когда верхний слой вещества полностью растворялся, автор добавлял новую порцию рубиновой смеси, и в итоге, получился вот такой, довольно непривлекательный слиток.
Поэтому было принято решение укоротить тигель и расплавлять порошок порциями поменьше.
Благодаря такой модернизации удастся практически полностью избавиться от воздуха внутри будущего камня, и он (камень), вроде как должен получиться более плотным. Ну это все в теории, так должно было получиться, но на практике не все так просто.
В итоге, получившийся новый слиток, также не обладал достойным качеством и не блистал красотой. Более того, на нем можно разглядеть даже трещины, которые образовались из-за сильной усадки.
Автор решил попробовать сломать камень. Для этого он взял молоток и тихонько ударил по изделию.
В результате чего камень легко разбился, а этого не должно было случиться с настоящим рубином. Посмотрев на скол, мы можем увидеть, что весь камень усеян порами и к тому же в глаза бросается темный оттенок по краям:
Темный оттенок — это уголь от тигля и от электрода. Он в виде плазмы распыляется на расплав и насыщает углем поверхность. Такой результат нам не нужен. Температура дуги оказалась слишком высокой и данный способ не годится для изготовления рубина. Смесь попросту начинает закипать, в результате чего и образуется множество пор.
Чтобы результат улучшить, потребуется совершенно другой метод. Давайте попробуем разогреть смесь газовым резаком. Это все-таки уже более ювелирный инструмент, и газом гораздо проще регулировать температуру нагрева.
В процессе можно наблюдать довольно интересный эффект: пока капли горячие, они имеют черный цвет, но когда они остывают, то приобретают красный рубиновый оттенок.
Вот что в результате получилось.
Выглядит гораздо лучше, чем после сварки. Цвет материала более чистый, и что самое главное — примеси угля полностью отсутствуют.
Теперь осталось только придумать, как переплавить большое количество смеси так, чтобы не было воздуха внутри. Автор пробовал наплавлять смесь послойно, но это у него не получилось, так как газовый резак попросту раздувал по сторонам даже довольно крупные капли. Поэтому крупные капли было решено зафиксировать керамическим пинцетом.
Зажав каплю пинцетом автор попробовал расплавить ее непосредственно в пламени горелки. Но даже в самом пламени капля не спешит плавиться, все-таки достаточно тугоплавкий сплав получился.
Вообще, температура плавления рубина составляет чуть больше 2000 градусов, и поэтому его приходиться платить либо на графите, либо в графитовом тигле, так как все остальное либо не выдержит нагрева, либо испортит цвет получающегося сплава. Как не странно, но керамический пинцет, сделанный в Китае, отлично справился с этой задачей, даже интересно из чего они его сделали.
Далее, получившиеся капли, сплавляем друг с другом. Но, не смотря на все усилия, внутри камней все равно остается довольно много пузырьков воздуха. Чтобы весь воздух смог выйти на поверхность, каждую каплю приходилось очень долго прогревать. Когда количество газа внутри камня сокращается, он постепенно уменьшается в объеме и становится более плотным. Таким образом, на удаление остатков газа тратится довольно большое количество времени.
В итоге вот такого результата удалось добиться:
Как видите, камень, конечно, не полностью прозрачен, но все равно выглядит довольно неплохо.
Трещины из-за быстрого остывания все также присутствуют:
Также видны и пузырьки газа, которые так и не захотели покидать сплав:
Оценить степень прозрачности получившегося камня можно, положив его на ультрафиолетовый фонарь.
Как видите, камни достаточно неплохо просвечиваются. Безусловно, это еще не ювелирный рубин, так как эти камни не имеют монокристаллической структуры, но если их разбить и разделить на отдельные кристаллы, то каждый отдельный кристалл уже можно будет смело называть рубином.
На этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!
Видеоролик автора:
Читайте также: