CC BY
429
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 549.057
А.А. Лагутенков,
Мастер Делового Администрирования, Университет Кингстон (UK), Graduated Gemologist G.G. GIA, Геммологический Институт Америки (USA)
г.Москва, РФ E-mail: alerter@mail.ru
ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ Аннотация
Цель данной статьи рассказать о современных технологиях синтеза алмазов и дать представление о направлениях развития технологий синтеза алмазов. Рассматриваются также возможные угрозы современному ювелирному рынку России, а также методы противодействия этим угрозам.
Ключевые слова синтетические алмазы, HPHT синтез алмазов, CVD синтез алмазов, методы идентификации синтетических алмазов
Синтетические бриллианты ювелирного качества стали гораздо чаще встречаться на современном ювелирном рынке, чем это было всего несколько лет назад. Поэтому ювелиры всего мира активно интересуются новыми бриллиантами, а также методами, с помощью которых можно надежно отличить синтезированные камни от природных.
GIA активно изучали синтетические бриллианты последние 30 лет. Поэтому специалисты GIA знают, как создаются камни такого рода, а также как их распознать. Синтетические бриллианты, созданные в лаборатории, имеют химический состав и физические свойства почти неотличимые от натуральных, природных камней.
Некоторые люди считают, что синтетические бриллианты, это имитация настоящих бриллиантов, но такая точка неверна в корне. Имитации, вроде фианита или муассанита лишь выглядят как бриллианта, но имеют совершенные иные физические и химические свойства. Это позволяет квалифицированным геммологам легко отличать такого рода имитации от настоящих бриллиантов. С синтетическими бриллиантами всё намного сложнее.
В некоторых случаях квалифицированный геммолог может распознать синтетическую природу бриллианта, используя стандартное геммологическое оборудование. В других случаях для идентификации синтетического камня может потребоваться очень сложное лабораторное оборудование. В GIA в настоящее время создана большая база знаний, содержащая информацию о геммологических свойствах бриллиантов всех видов, что помогает создавать новые средства идентификации синтетических камней.
Как бриллианты классифицируются по типам
Начиная с 1930-х годов, ученые пришли к заключению, что алмазы можно разбить на две группы, в зависимости от поведения камней под ультрафиолетовым источником света. Так появились разновидности бриллиантов: Тип I и Тип II. В дальнейшем, в каждый из типов удалось разбить на еще две подгруппы, в зависимости от того как расположен углерод в кристаллической решетке бриллианта и какие типы примесей в этой решетке присутствуют. В 1959 году ученые обнаружили, что бриллианты Типа I всегда содержат в своем составе азот, в то время как в бриллиантах Типа II азота нет вовсе.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х -7я
Рисунок 1 - Диаграмма показывает систему классификации типов алмазов. Тип бриллианта может быть точно определен с помощью инфракрасной спектроскопии [1]
До 95% природных алмазов, ученые относят к Типу Ia. Эти бриллианты содержат азот в кластерах из четырех или двух атомов. Это так называемые типы I aA и I aB ( см. рисунок 1). Алмазы этого типа до сих пор не удалось получить в лаборатории. То есть все без исключения бриллианты, относящиеся к типу Ia (неважно, IaA или IaB) - природные.
Тип Ib характеризуется тем, что атомы азота в составе таких бриллиантов изолированы и не объединены в кластеры. Такие алмазы редко встречаются в природе. Алмазы Типа IIa почти не содержат азота, в то время как бриллианты Типа IIb содержат химический элемент бор.
Синтетические алмазы всегда соответствуют типам Ib, IIa и IIb, но среди природных камней - алмазы этих типов встречаются крайне редко.
Бриллианты Типа I и Типа II отличаются разной степенью прозрачности для коротковолнового ультрафиолетового излучения. Окончательный ответ в вопросе определения типа бриллианта дает инфракрасная спектроскопия [2].
Таблица 1
Тип и цвет Природные Синтетические HPHT Синтетические СУБ
Ia (IaA, IaB)(бесцветные, почти бесцветные) До 95% всех существующих Не известны Не известны
Ib (желтые) Встречаются редко Есть на рынке Встречаются редко
IIa (бесцветные) Встречаются редко Встречаются редко Есть на рынке
IIb (голубые или бесцветные) Встречаются редко Встречаются редко Встречаются редко
В таблице показано соотношение между типом бриллианта и вероятностью того, что камень синтезирован искусственно. Большинство синтетических алмазов относятся к типам Ib и IIa
Синтезирование бриллиантов Впервые ученые получили синтетические алмазы в середине 1950-х годов, в виде крошечных кристаллов. Производство более крупных алмазов, пригодных для использования в ювелирных изделиях началось только в середине 1990-х годов и продолжается сегодня. На сегодняшний день все больше компаний начинают заниматься производством синтетических алмазов. Синтетические алмазы выращивают в нескольких странах, как для ювелирных изделий так и для промышленного применения, которое может быть более важным [1].
Традиционный метод синтеза, называемый «Высокое давление при высокой температуре»
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 2410-700Х
(НРНТ),представляет собой формирование алмаза из расплавленного металлического сплава, содержащего железо ^е), никель (№), или кобальт (Со). Более современный метод, называемый «Химическое парофазное осаждение» (CVD) или «Низкое давление при высокой температуре» ^РНТ), представляет собой рост алмаза из газа в вакуумной камере.
В обоих методах кристалл алмаза или пластину используют в качестве затравки для инициации роста.
ОТет Синтез
Рост алмаза НРНТ происходит в небольшой капсуле внутри аппарата, способного генерировать очень высокие давления. Внутри капсулы, исходный материал в виде алмазного порошка растворяется в расплавленном металле, а затем из этого материала на специальных алмазных затравках кристаллизуются синтетические алмазы. Процесс кристаллизации занимает от нескольких недель до нескольких месяцев, в зависимости от того, какого размера и какое количество кристаллов необходимо получить.
I
Рисунок 2 - Модель типичного синтетического НРНТ алмаза.
Кристаллы синтетических алмазов НРНТ, как правило, показывают одновременно и квадратные и шестиугольные грани. Поскольку внутренние модели роста природных и синтетических НРНТ алмазов совершенно разные, их форма также сильно отличается. Этот признак модели роста может быть использован как один из самых надежных способов идентификации неприродного происхождения алмаза.
Рисунок 3 - Модель типичного синтетического НРНТ алмаза.
В ограненных синтетических алмазах (бриллиантах) часто можно увидеть визуальные отличия от природных камней. К таким отличиям относят особое распределение цвета, зоны необычной флюоресценции - особые крестообразные узоры, обусловленные условиями роста кристалла, а также случайно распределенные металлические включения. В некоторых случаях синтетические алмазы проявляют стойкую фосфоресценцию после того, как ультрафиолетовая лампа выключена. Эти синтетические алмазы могут быть идентифицированы с помощью лабораторных методов, таких как обычная и фотолюминесцентная спектроскопия.
Рисунки 4а и 4б. Рисунки флюоресценции, которые можно увидеть в синтетическом алмазе, выращенном
по технологии НРНТ
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
Большинство выращенных HPHT алмазов имеют желтый, оранжево-желтый или коричневато-желтый цвета. Большинство синтезированных HPHT камней относятся к типу Ib, который нечасто встречается в природе.
Создание бесцветных синтетических HPHT алмазов было очень сложной задачей, так как одним из условий роста бесцветного кристалла является полное отсутствие азота в среде роста. Избавиться от следовых количеств этого газа при производстве намного сложнее, чем кажется. Атмосфера нашей планеты на 78% состоит из азота, поэтому полностью исключить воздействие этого газа на производственный процесс - крайне трудная инженерная задача. Кроме того, бесцветные алмазы высокой чистоты типа IIa или IIb растут гораздо медленнее, чем Ib и требуют гораздо более внимательного отношения к среде роста. Несмотря на все сложности, недавно были получены алмазы ювелирного качества, пригодные для огранки бриллиантов весом более 10 карат [3].
Добавление бора в среду роста синтетического алмаза приводит к появлению голубых кристаллов. Другие цвета, такие как розовый и красный могут быть получены с помощью последующей обработки радиацией или нагревом, хотя на сегодняшний день такая практика встречается довольно редко.
Синтез алмазов по методу СУВ происходит внутри вакуумной камеры, заполненной углеродосодержащим газом, например метаном. Источник энергии, микроволновой луч, разрушает молекулы газа, углерод из которых притягивается к затравочным пластинам. Кристаллизация занимает несколько недель. На пластине выращивают сразу несколько алмазов. Выращиваемые этим методом алмазы довольно часто имеют грубые «обугленные» края, что обусловлено избытком графита. Цвет получаемых кристаллов обычно коричневатый, что легко исправляется последующим нагревом, если полученный алмаз предполагается использовать в ювелирных целях.
Большинство синтезируемых алмазов CVD коричневатые или сероватые, но если ввести в вакуумную камеру в процессе производства небольшое количество азота или бора, то можно получить алмазы желтого, голубого или розовато-оранжевого оттенков. Методом CVD можно также получать бесцветные алмазы, но они требуют существенно большего времени роста. Большинство представленных на рынке CVD алмазов -это термически обработанные коричневые образцы. Большинство алмазов, синтезированных методом CVD, относятся к типу IIa.
Геммологические свойства алмазов, синтезированных методом CVD, сильно отличаются от свойств синтезированных HPHT кристаллов. Синтетические CVD алмазы обычно намного чище, чем HPHT и в них можно заметить в основном лишь крошечные включения углерода.
Подобно НРНТ, производители продолжают улучшать технологию синтеза CVD алмазов, чтобы получить кристаллы больших размеров и еще лучшей чистоты и цвета [4].
За последние несколько лет, на рынке появляется все большее число компаний, занимающихся производством синтетических алмазов для использования их в ювелирных изделиях. Одновременно с появлением новых игроков на рынке, не прекращаются работы по совершенствованию технологии производства, с целью получения более крупных кристаллов с наилучшими характеристиками чистоты и цвета. В новостях все чаще можно встретить сообщения об инцидентах, связанных с продажей
CVD синтез
Луч источника
Рисунок 5 - Процесс производства синтетических алмазов по технологии CVD
Идентификация синтетических алмазов
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
синтетических бриллиантов под видом природных.
Для идентификации драгоценных камней, обычный геммолог использует несколько видов специального оборудования, такого как: рефрактометр, ультрафиолетовую лампу, микроскоп, полярископ, а также некоторые дополнительные инструменты тестирования. Но поскольку качество синтетических алмазов постоянно растет, то становится все сложнее отличить природные алмазы от синтезированных с помощью стандартных, привычных методов. Следует знать, что уже в самое ближайшее время станет невозможно отличить синтезированные камни от натуральных, используя старое оборудования. Для идентификации природы происхождения алмазов необходимо обращаться в геммологическую лабораторию.
Таблица 2
Разница в признаках CVD и HPHT синтезированных алмазов
Синтетические алмазы HPHT Синтетические алмазы CVD
Неравномерное распределение цвета Равномерное распределение цвета
Особый рисунок кристаллизации Отсутствие особого рисунка кристаллизации
Необычные цвета флюоресценции Необычные цвета флюоресценции
Особые рисунки флюоресценции Особые рисунки флюоресценции
Остаточная фосфоресценция Остаточная фосфоресценция
Включения металлического флюса Мельчайшие угольные включения
Возможны надписи на рундисте Возможны надписи на рундисте
Эти диагностические признаки были подробно рассмотрены и проиллюстрированы в статьях, касающихся синтетических алмазов в ежеквартальном журнале GIA «Gems & Gemology». Приведенные в таблице визуальные особенности характерны для большинства синтетических алмазов, но далеко не в не каждом ограненном синтетическом алмаз можно их заметить. Например, некоторые синтетические CVD алмазы вообще не имеют ни флюоресценции, ни тем более фосфоресценции.
Алмазы, синтезированные методом НРНТ, часто имеют неравномерную окраску, которую можно заметить в проходящем свете в микроскоп, либо с помощью иммерсионной ячейки. Природные алмазы тоже могут иногда быть неравномерно окрашены, но синтетические HPHT алмазы практически всегда демонстрируют фрагменты геометрического узора с рисунка 4а или 4б, что ни при каких обстоятельствах невозможно в природном алмазе. В отличие от HPHT, алмазы выращенные по технологии CVD, никогда не показывают подобных паттернов окраски.
В алмазах, синтезированных HPHT методом, часто можно заметить частички металла, которые выглядят черными и непрозрачными в проходящем свете, но имеют металлический блеск в отраженном свете. Поскольку металлы, используемые для выращивания HPHT алмаза - это железо, никель или кобальт, то синтетические алмазы HPHT могут притягиваться сильным редкоземельным магнитом (например, неодимовым).
Поскольку алмазы CVD выращивают совершенно другим методом, то и металлические включения в них не встречаются.
Некоторые натуральные алмазы содержат темные включения графита или других минералов, но эти включения не имеют металлического блеска.
При исследовании природного алмаза между двумя поляризационными фильтрами, ориентированных под углом 90 градусов по отношению друг к другу, естественный алмаз часто демонстрирует яркую заштрихованную или мозаичную структуру интерференции цвета. Эти интерференционные цвета возникают, когда натуральный алмаз подвергается воздействию огромного давления, когда он находился глубоко под землей или в процессе взрывного продвижения к поверхности. В противоположность этому, синтетические алмазы росли в однородной среде, где они не подвергались воздействию напряжений среды. Поэтому, при рассмотрении таким же образом, через поляризационные фильтры, в синтетических кристаллах не встречается рисунка интерференционных полос, либо он очень слабо проявлен.
Флюоресценция алмазов также полезна для идентификации природы их происхождения. У синтетических алмазов флюоресценция часто сильнее под коротковолновой ультрафиолетовой лампой, в то
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
время как природные алмазы сильнее светятся при облучении длинноволновым ультрафиолетовым светом.
Большинство выращенных HPHT алмазов демонстрируют крестообразный шаблон флуоресценции на макушке или в павильоне ограненного камня. В некоторых CVD алмазах можно заметить изогнутый полосчатый паттерн при просмотре через грани павильона. Типичные цвета флуоресценции синтетических алмазов: зеленый, желто-зеленый, желтый, оранжевый или красный цвета.
Когда ультрафиолетовая лампа выключена, синтетический алмаз может проявлять стойкий эффект фосфоресценции до минуты или больше.
Подводя итог, можно сказать, что синтетические алмазы в ближайшем будущем будут появляться на ювелирном рынке во все возрастающем количестве. Современные инструменты, доступные геммологам-одиночкам, на сегодняшний день не способны дать однозначный ответ о природе происхождения бриллианта. В связи с чем, GIA рекомендует обращаться за геммологической экспертизой в лабораторию, если возникают хотя бы малейшие сомнений в природе происхождения бриллианта. Список использованной литературы
1. «Digging into diamond types» http://4csblog.gia.edu/2014/digging-diamond-types
2. «Большие Бесцветные HPHT Синтетические бриллианты из Китая», Gems & Gemmology, весна 2016 г., вып. 52, № 1
3. «Большой синий и бесцветный синтетические алмазы HPHT», Gems & Gemology, лето 2016, вып. 52, № 2
4. «Недавние улучшения качества производства синтетических CVD алмазов» , Gems & Gemology, Лето 2012, Вып. 48, № 2)
© Лагутенков А.А., 2017
