Hydrotermisk smaragd

Hydrotermisk smaragd eller odlad smaragd (även känd som syntetisk smaragd , laboratorieodlad smaragd och rysk smaragd ) är en smaragd som erhålls från en hydrotermisk fusionsprocess . Det skiljer sig från naturliga smaragder, bildade som ett resultat av geologiska processer, genom sin renhet och närvaron av kornighet , vilket är absolut omöjligt för en naturlig smaragd .

Historien om den hydrotermiska smaragden

Emerald är den andra artificiellt odlade pärlan (den första var rubinkristaller , odlade i slutet av 1800-talet av de franska kemisterna E. Fremy och O. Verneuil från en smälta av Al2O3 med en blandning av Cr2O3). Som i fallet med rubin var incitamentet för att odla syntetisk smaragd det extremt höga priset på ett naturligt kvalitetsmaterial.

Historien om syntetisk smaragd är mycket komplicerad - mycket ofta började kristaller, vars odlingsteknik utvecklades av en (ibland anonym) forskare, odlas av en mängd olika företag. Det är ett etablerat faktum att den första smaragden av ädelstenskvalitet odlades i början av 1930-talet hos den tyska kemijätten IG Farbenindustry och fick det kommersiella namnet "igmerald". Från analysen av dessa smaragder kan man dra slutsatsen att tillväxten av kristaller, uppenbarligen, utfördes i platinadeglar vid temperaturer över 1000°C från en lösning i Li2MoO4-saltsmältan.

Senare spreds denna teknik (på ett eller annat sätt modifierad form) över världen och blev grunden för flera produktioner av konstgjorda ädelstenar - Nakken, Gilson, Linde, Chatham och ett antal andra. Grundaren av en av dem, K. Chatham, introducerade till och med en speciell term för sådana kristaller under andra hälften av 1900-talet: "skapade ädelstenar". Denna term betyder att kristallen växte under förhållanden helt analoga med naturliga processer, men realiserade av människan. Som ett resultat liknar själva kristallen naturliga.

Observera att K. Chatham, när han använde termen "skapade ädelstenar" på sin smaragd, var något listig. Faktum är att i naturen växer smaragdkristaller inte från en smälta, utan från hydrotermiska lösningar, d.v.s. fundamentalt olika processer och tillväxtförhållanden realiseras i naturen och i laboratoriet. Skillnader i processer återspeglas också i skillnader i natur- och laboratorieprodukter (smaragdkristaller): naturliga smaragder innehåller en blandning av vatten som fångas upp från en hydrotermisk lösning, vars molekyler är belägna i kristallstrukturens håligheter; kristaller odlade från smältan är tvärtom fria från vattenföroreningar. Det senare uttrycks i det faktum att naturliga smaragder, i jämförelse med Chatham-smaragder, har högre värden på densitet, brytningsindex och dubbelbrytning.

Det föregående gör det klart att det finns försök att implementera en hydrotermisk tillväxtprocess för att erhålla smaragdkristaller, på vilka termen "skapade ädelstenar" skulle kunna tillämpas fullt ut. Dessa försök ledde till positiva resultat i USA och Sovjetunionen . De första resultaten uppnåddes av den amerikanske forskaren E. Flanigen på 60-talet av XX-talet, som lyckades odla smaragdkristaller från hydrotermiska högkoncentrerade lösningar av NH4Cl vid temperaturer på ~500˚С och tryck på cirka 1000 atm. Tyvärr bleknade syntesprocessen ganska snabbt, varför det var nödvändigt att "transplantera" de odlade smaragderna till en annan autoklav för att få stora kristaller och upprepa tillväxtprocessen. Tydligen implementerades denna process i det österrikiska företaget Lechleitner.

I Sovjetunionen utfördes arbete i denna riktning i Moskva ( Institute of Crystallography of the Academy of Sciences of the USSR ) och i Novosibirsk ( Institute of Geology and Geophysics of the Siberian Branch of the Academy of Sciences of the USSR ). Om Moskva-forskarnas arbete snabbt stoppades, då en grupp unga Novosibirsk-forskare A. Lebedev, A. Ilyin, D. Fursenko (alla utexaminerade från fakulteten för geologi och geofysik vid Novosibirsk State University), under ledning av chefen . laboratorium för hydrotermisk kristalltillväxt V. Klyakhina i början av 70-talet av XX-talet kunde lösa problemet - att genomföra en stabil tillväxt av smaragdkristaller från hydrotermiska lösningar. Senare, på 80-talet, anslöt sig utexaminerade från samma fakultet V. Thomas, I. Fursenko, V. Maltsev och S. Demin till dem.

Sedan odlingen av den första kristallen av hydrotermisk smaragd vid Institutet för geologi och geofysik har tekniken för tillväxtprocessen ständigt förbättrats. Huvudarbetena i denna riktning var fokuserade på:
a) att förbättra mättnaden av färgen på hydrotermisk smaragd;
b) en ökning av likformigheten hos kristallernas färg;
c) kampen mot defekter hos kristaller (målet är att odla en kristall som inte innehåller en enda spricka);
d) öka reproducerbarheten av tillväxtprocessen;
e) ökning av utbytet av odlat material.
Senare, 1989, för att intensifiera den tekniska forskningen och överföra dem till självförsörjning , Joint Institute of Geology, Mineralogy and Geophysics of the Siberian Branch of the Academy of Sciences (namn efter omorganisationen av Institute of Geology and Geophysics of den sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin) och det thailändska smyckesföretaget Pinky Trading LTD (Bangkok) grundade ett gemensamt företag TAIRUS , som producerar smaragdkristaller under varumärket "Russian Emerald".

Hydrotermisk kristalltillväxtmetod

Processen för kristalltillväxt under hydrotermiska förhållanden sker vid höga temperaturer och tryck. Därför utförs denna process i speciella tjockväggiga kärl - autoklaver gjorda av speciell höghållfast korrosion och värmebeständigt stål. Autoklaven som visas i figuren är inte stor, dess arbetsvolym är cirka 250 ml, vilket gör det möjligt att odla cirka 100 g smaragdkristaller i en tillväxtcykel. Autoklaver för hydrotermisk tillväxt av kvartskristaller, till exempel, är mycket större - upp till 6 m3, och de tillåter att växa upp till ett halvt ton kristaller i en tillväxtcykel.

Kärnan i den hydrotermiska tillväxten av smaragdkristaller med den ryska smaragdtekniken är som följer. I botten av autoklavens arbetshålighet hälls laddning (4) - krossad naturlig beryl är inte av ädelstenskvalitet. Ovanför det är ett membran (5) - en rund platta av stål med hål som delar upp autoklavens arbetshålighet i två zoner: upplösning (under membranet) och tillväxt (ovanför membranet). En ram (6) placeras i tillväxtzonen med ett eller flera frön (7) - rektangulära tunna plattor skurna av smaragdkristaller av högsta kvalitet som odlats i tidigare cykler. Sedan tillsätts den erforderliga mängden vatten och en mineraliserare (en blandning av en viss sammansättning som ökar lösligheten av beryl i en hydrotermisk lösning) till den inre kaviteten. Som mineraliserare i den ryska smaragdodlingstekniken används salter som finns i verkliga pegmatitprocesser, under vilka naturliga berylkristaller bildas. Således är antingen naturliga ämnen eller helt analoga med naturliga ämnen involverade som initiala produkter i den ryska smaragdodlingstekniken. Den laddade autoklaven förseglas i sin övre del och placeras i en speciell vertikal ugn, där autoklaven värms upp till cirka 600 ° C, och trycket i den stiger till 1500 atm. Dessutom värms den nedre delen av autoklaven (upplösningszonen) till en högre temperatur än den övre delen (tillväxtzonen). I upplösningszonen är den hydrotermiska lösningen mättad med laddningskomponenter (beryl). Mättade lösningar från upplösningszonen som ett resultat av naturlig termisk konvektion kommer in i tillväxtzonen, där de kyls ner och blir övermättade. Överskottet av ämnet från den övermättade lösningen deponeras på fröplattorna - tillväxten av smaragdkristaller inträffar. Den totala varaktigheten av en tillväxtcykel är 1 månad, under vilken en eller flera smaragdkristaller med en totalvikt på upp till 100 g, en total längd på upp till 19 cm och en tjocklek på upp till 2,5 cm hinner växa.

Låt oss nu illustrera med hjälp av ett diagram en nära analogi mellan genomförandet av laboratorie- och naturliga hydrotermiska processer. När smält magma förs in från jordens djup i jordskorpans tjocklek börjar smältan att kristallisera med bildning av till exempel granit. Samtidigt börjar gasformiga komponenter att separeras från smältan, i första hand vatten, i vilka tillsatser av naturliga mineraliseringsmedel löses upp, som väl kan lösa upp ämnen som är olösliga under normala förhållanden. En sådan vattenhaltig gaslösning kallas hydrotermisk. I slutet av magmatisk kristallisation bildas en hålighet i jordskorpans tjocklek, omgiven av solida väggar bestående av kristallint berg, fylld med en hydrotermisk lösning. Med en ytterligare minskning av temperatur och tryck börjar "extra" material avsättas från den hydrotermiska lösningen - kristaller växer. När vi jämför de naturliga och laboratoriehydrotermiska processerna ser vi deras nästan fullständiga analogi - till och med en hermetisk autoklav finns i den naturliga, bara dess väggar är inte gjorda av järn, utan av hållbar granit.

Funktioner och jämförelse av syntetiska analoger

Emerald "Biron"

Kristaller odlas i mycket sura kloridlösningar. Autoklavstål tål inte aggressiva kloridlösningar alls, så kristalltillväxt utförs i skyddsbehållare gjorda av ett inert material (guld). Den saftiga gröna färgen, nära färgen på klassiska naturliga colombianska smaragder, beror på den gemensamma inkluderingen av Cr3+ och V3+ föroreningar i beryl. Renheten i färgen underlättas av det faktum att en skyddande förseglad behållare av guld förhindrar kontaminering av den odlade kristallen med autoklavstålkomponenter. Den gemologiska analysen av Biron-smaragden visar dess nära likhet med naturliga smaragder (grön och gulgrön färg under Chelsea-filtret, ingen luminescens under UV-strålning, ökade tätheter och brytningsindex etc.), där den är nära smaragden "Rysk smaragd" och skiljer sig fundamentalt från kristaller erhållna från lösningar i saltsmältor. [1] I denna smaragd var det visserligen möjligt att minska kontrasten i strimmorna, men på grund av att grovheten på den växande regenereringsytan är mycket finare, är koncentrationen av ränder per volymenhet av den skurna stenen märkbart högre. Därför, mycket vacker i små snitt, börjar Biron-smaragden i stora stenar att förlora sitt spel. För närvarande produceras det tydligen inte på grund av en betydligt högre kostnad jämfört med produktionen av rysk smaragd, men några av dess kvantiteter kan fortfarande hittas på världsmarknaden för smycken.

Emerald "kinesisk"

En analys av morfologin hos kristallerna i denna smaragd, sammansättningen av inneslutningar i den, IR-spektra och ett antal andra parametrar gör att vi kan dra slutsatsen att denna smaragd producerades med en teknik nära produktionsprocessen för Biron-smaragden. Dess färg, till skillnad från Biron-smaragden, beror på införandet av endast Cr3 + föroreningar i beryl, vilket orsakar röd luminescens under ultraviolett och röd färg under Chelsea-filtret, vilket är helt okarakteristiskt för naturstenar. För närvarande också, tydligen, produceras inte. [2]

Emerald "Malossi"

Vid sekelskiftet 1900- och 2000-talet lyckades de anställda på TAIRUS Company odla en smaragd med en fundamentalt reducerad kontrast av strimlorna. Kristallerna såg exceptionellt genomskinliga ut och gjorde det möjligt att skära stora stenar av vilken storlek som helst, vars spel inte föll med storleken. Resultaten av den amerikanska forskaren E. Flanigen fungerade som grund för att utveckla sammansättningen av mineraliseraren för odling av dessa kristaller. [3] Kristalltillväxtprocessen utfördes i platinabehållare, på grund av vilka kristallerna var fria från komponenter av autoklaverat stål, och själva smaragden fick arbetsnamnet "platina". Färgen på sådana smaragder beror på införandet av endast Cr3+ föroreningar i berylen, som, liksom den "kinesiska" smaragden, stenarna ser röda ut genom Chelsea-filtret och kännetecknades av stark röd luminescens i ultraviolett ljus. Det senare faktumet fungerade som en broms för den breda produktionen av en sådan smaragd*, men små partier genom den italienska återförsäljaren A. Malossi började komma in på smyckesmarknaden under hans namn: Malossi hydrotermisk syntetisk smaragd. Senare kom det rapporter om att "Malossi smaragd" producerades i Tjeckien, men analysen av de sista kristallerna av Malossi smaragd visade deras fullständiga identitet till "platina", vilket antyder den fullständiga identiteten för tillväxtprocesserna för dessa "två" olika typer” av hydrotermiska smaragder.

"Colombian färg smaragd"

Parallellt med arbetet med "platina"-smaragden försökte en grupp TAIRUS-anställda under ledning av D. Fursenko odla en smaragd som inte var sämre i färg än "Biron"-smaragden (ansett i början av 2000-talet som standardfärg för hydrotermisk smaragd) och lika genomskinlig som "platina" smaragd. Mer än 7 års arbete i denna grupp ägnades åt att få de första positiva resultaten och ytterligare några år på att finjustera tekniken. Så här såg den "colombianska färgsmaragden" ut - en hydrotermiskt odlad smaragd med exceptionell grön färg, inte sämre i färg än de bästa exemplen på "Biron"-smaragden, och i transparens (på grund av den mycket låga kontrasten hos striae) till och med överträffar "platina" smaragden. Färgen på den colombianska färgen smaragd beror på närvaron av V3+ föroreningar i beryl, vilket är orsaken till det rent "naturliga" beteendet hos denna smaragd - grön under Chelsea-filtret och den fullständiga frånvaron av luminescens. Enligt andra egenskaper (närvaron av vattenföroreningar i kanalerna, hög densitet, högt brytningsindex, etc.), är den colombianska färgen smaragd helt lik de bästa naturliga colombianska smaragderna. [fyra]

För närvarande täcks världsmarknadens behov av hydrotermiskt odlad smaragd nästan helt av rysk smaragd (en nisch för relativt små skurna stenar) och colombiansk färg smaragd (en nisch för dyrare stora snitt). Andra sorter av hydrotermiskt odlad smaragd kommer in på marknaden sporadiskt och i små partier, vilket kan tyda på att det för närvarande inte finns någon storskalig produktion av konstgjorda smaragder baserade på andra tekniska processer.

Anteckningar

1. ↑ R.E. Kane, R.T. Liddicoat (]r.). The Biron hydrotermal syntetisk smaragd // GEMS & GEMOLOGY, höst, 1985, sid. 156-170.
2. ↑ K. Schmetzer, L. Kiefert, H.-Jür. Bernhardt, Z. Beili. Karakterisering av kinesisk hydrotermisk syntetisk smaragd. // GEMS & GEMOLOGY, Winter, 1997, sid. 276-291.
3. ↑ Flanigen EM, Mumbach NR Hydrotermisk process för att odla kristaller med strukturen av beryl i ett surt halogenidmedium. // USA patent nr. 3,567,643; utfärdat 2 mars 1971.
4. ↑ K. Schmetzer, D. Schwarz, H.-J. Bernhardt, T. Hager. En ny typ av Tairus hydrotermiskt odlad syntetisk smaragd, färgad av vanadin och koppar. // J. Gemm., 2006, 30, 1/2, s. 59-74.