Коштовне каміння здавна були предметом відтворення, проте тільки в кінці XIX ст. досягнення хімії і фізики дозволили створити синтетичні дорогоцінні камені, що не відрізняються за своїми властивостями від природних каменів, а часто і перевершують їх. Археологічними дослідженнями встановлено, що в Стародавньому Єгипті (близько 3 тис. Років до н.е.) виготовляли кольорові скла, які використовували як прикраси і амулети. Імітації дорогоцінних каменів зі скла були широко поширені в Стародавньому Римі.

У "Природній історії" Пліній Старший писав, що карбункули (рубіни) "підробляються зі скла так само, як і інші дорогоцінні камені, пізнаються вони по плівкам всередині і по тяжкості, а іноді по бульбашок, що світиться подібно сріблу". Він же описав тришаровий сардонікс, званий кодоном. Цей матеріал подгонялся і склеювався з трьох шарів - чорного, білого і червоного.

Пізніше стали застосовувати дублети, що складаються з двох різних каменів - зверху дорогоцінний, а знизу менш дорогий: гірський кришталь або скло і т.п. У 1758 році австралійський хімік Йозеф штрассе розробив спосіб виготовлення скляного сплаву, чистого і безбарвного з відносно високим показником заломлення. Сплав, що складається з кремнію, окису заліза, окису алюмінію, вапна і соди, прекрасно Гран і шліфувався і після ограновування нагадував діаманти. Такий штучний камінь називається "стразами" на прізвище вченого.

Справжній переворот в отриманні синтетичних дорогоцінних каменів був проведений французьким хіміком М. А. Вернейлем, який в 1892 р розробив спосіб отримання синтетичного рубіна. У промисловості цим методом стали користуватися для вирощування синтетичних рубінів, а потім і для синтезу інших дорогоцінних каменів - сапфіра, шпінелі, александрітоподобного корунду і інших каменів. У міру розвитку і вдосконалення техніки вирощування монокристалів були розроблені інші способи, які дозволяли отримати ряд інших синтетичних каменів - аналогів природного рутилу, кварцу, алмазу, смарагду. В останні роки створені і нові види кристалів, аналогів яких немає в природі, - фабула, ітрій-алюмінієвий гранат, фіаніт.

Таким чином, в даний час існують наступні види синтетичних ювелірних каменів і їх імітацій: 1) синтетичні ювелірні камені, що мають природні аналоги: корунди - рубін і сапфір, шпінель, рутил, алмаз, смарагд, кварц, александрит, опал, бірюза; 2) синтетичні матеріали, що не мають природних аналогів: титанат стронцію - фабула, ніобат літію, ітрій-алюмінієвий гранат, фіаніт і ін .; 3) імітації ювелірних каменів: скла, дублети і триплети.

Синтетичні ювелірні камені нагадують штучні кристали, отримані хімічними або фізичними методами, що мають властивості, аналогічні природним камінню тих же назв. Г.В. Банк пише про те, що нові номенклатурні приписи спеціальної комісії від 1970 р встановили більш чіткі визначення синтетичних каменів: "Синтетичні камені - суть окристалізованої продукти, отримання яких повністю або частково є справою рук людини. Їх хімічний склад, кристалічна структура та фізичні властивості в широкому діапазоні збігаються з такими їх природних прототипів (справжніх дорогоцінних і виробних каменів) ".

В даний час існує ряд способів виготовлення синтетичних каменів.

Синтез дорогоцінних ювелірних та технічних каменів за способом М.А. Вернейля вважається класичним і є першим промисловим методом вирощування кристалів корунду, шпінелі та інших синтетичних кристалів. У світі щорічно випускається близько 200 т синтетичного корунду і шпінелі. Метод Вернейля полягає в наступному: до пальника з направленим вниз соплом через зовнішню трубу підводиться водень, а через внутрішню - кисень. У ток кисню подається подрібнений порошок окису алюмінію зернистістю близько 20 мкм, отриманий прожарюванням алюмоамміачних квасцов, який при цьому нагрівається до певної температури і потім потрапляє в воднево-кисневе полум'я гримучого газу, де він розплавляється. Внизу під соплом розташовується стрижень із спеченого корунду, що виконує роль крісталлоносітеля. На нього стікає розплавлена ​​окис алюмінію, утворюючи кульку розплаву. Стрижень крісталлоносітеля поступово опускається зі швидкістю 5 - 10 мм / год, при цьому забезпечується постійне перебування розплавленої зростаючої частини корунду в полум'ї. На малюнку показана принципова схема установки для вирощування кристалів цим методом. Діаметр утворилися кристалів ( "булек") зазвичай досягає 20 мм, довжина 50 - 80 мм, іноді їх розмір набагато більше. Бульки представляють собою полікристалів. Для отримання монолітного монокристала бульку оплавляют шляхом подачі кисню. При цьому на оплавленої поверхні бульки частина кристалів залишається незруйнованої і вони при подальшому охолодженні бульки починають рости за рахунок оплавлених зруйнованих кристалів.

Для отримання рубіна до порошку окису алюмінію додають окис хрому, для синтезу сапфіра - окис заліза і титану, для синтезу александрітопо-добного корунду - солі ванадію. Цим же методом вирощують синтетичний рутил і титанат стронцію.

Мал. 1. Схема апарату Вернейля:

1 - шихта; 2 - дозатор; 3 - кристаллизационная камера; 4 - крісталлодержателя; 5 - кристал; 6,8 - подача кисню; 7 - подача водню.

Другий поширений метод вирощування синтетичних кристалів дорогоцінних каменів - спосіб Чохральського. Він полягає в наступному: розплав речовини, з якого передбачається кристалізувати камені, поміщають в вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію, молібдену або вольфраму) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають приманку з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до потрібної товщини. Вал з запалом поступово витягають вгору зі швидкістю 150 мм / год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30 - 150 об / хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпінель, гранати, ніобат літію та інші штучні камені.

Часто застосовується метод кристалізації з розчину в розплаві з використанням флюсів. При цьому камені кристалізуються з змішаного розплаву, що складається з розчину сполуки і флюсів - молибдатов, боратов, фторидів, окису свинцю і ін. Речовини, що кристалізується зазвичай в платиновому тиглі при температурі від 600 до 1300 ° С (в залежності від виду кристалів). У розплав опускають приманку, а потім його охолоджують зі швидкістю 0,1 - 1 ° С / год. На затравки поступово нарощується кристал. Швидкість зростання невелика - за кілька тижнів кристал виростає на 3 - 4 см. Цей метод по ефективності не може конкурувати зі способом Чохральського і застосовується в тих випадках, якщо кристал плавиться інконгруентно або відчуває деструктивне фазове перетворення в твердому стані.

Дуже ефективний гідротермальний спосіб вирощування кристалів дорогоцінних каменів. Процес здійснюється в автоклавах при тиску 7 • 107 - 14 • 107 Па і температурі 300 - 900 ° С. Автоклав заповнюють розчином відповідного мінералу. У нижній частині автоклава температура більш висока; коли насичений розчин піднімається вгору і потрапляє в умови зі зниженою температурою, речовина осідає на приманку природного кристала. Нижня і верхня частини автоклава розділені діафрагмою.

Останні два методи застосовують для вирощування синтетичних смарагдів, бериллов. Гідротермальних методом синтезують різновиди кварцу і корунду, а методом флюсу - ітрій-алюмінієві гранати, корунд, шпінель.

Надтверді синтетичні мінерали та матеріали отримують іншими способами. Для вирощування алмазу необхідні тиск 50 • 108 -100 • 108 Па і температура понад 1600 ° С. Процес синтезу алмазів здійснюється з графіту в присутності каталізаторів-металів. Залежно від часу синтезу отримують кристали алмазів різних розмірів. Такими ж методами синтезують інші надтверді матеріали: гексаном, ельбор, СВ і ін., Які широко застосовуються в техніці. У ювелірній справі синтетичні алмази і надтверді матеріали до сих пір не застосовуються.

Синтезом алмазів займалися багато вчених. Провідна роль належить радянському фізику О.І. Лейпунський, який в 1938 р провів теоретичний аналіз умов утворення алмазу з графіту і визначив області стабільного існування алмазу. В результаті їм була вивчена діаграма стану алмаз - графіт, яка стала основою для наукового вирішення проблеми створення синтетичних алмазів.

У лютому 1953 року групі фізиків шведської енергетичної компанії ASEA при проведенні чергового досвіду по синтезу алмазу з графіту при тиску 8 · 108 МПа і температурі 2500 ° С з витримкою в часі 2 хвилини вдалося отримати перші в світі штучні алмази. У грудні 1954 р вчені фірми "Дженерал Електрик К °" створили штучні алмази розміром близько 0,8 мм. Згодом ними була розроблена камера типу "белт".

Після цього синтез алмазів був організований в ряді країн - Бельгії, Англії, Японії та ін. В СРСР в 1960 р Інститутом фізики високих тисків АН СРСР під керівництвом акад. Л.Ф. Верещагіна БУВ розроблення способ одержаний синтетичне алмазів, Який БУВ переданої для промислового Освоєння Інституту надтвердіх матеріалів АН УРСР. У тисяча дев'ятсот шістьдесят-один р булу відпрацьована промислова технологія синтезу алмазів. Процес здійснюється при температурі 1800 - 2500 ° С і тискові більше 5 · 102 МПа в присутності каталізаторів - хрому, нікелю, заліза, марганцю, платини, кобальту або інших металів. Згідно Було встановлен, что алмази утворюються при крісталізації вуглецю з его розчин в розплаві металу-каталізатора. У Сейчас годину склад діаграмі освіти алмазу з графіту з різнімі каталізаторамі. На рис. 6 приведена діаграма системи алмаз - графіт - нікель.

Мал. 6. Діаграма процесу синтезу алмазів з каталізатором з нікелю:

1 - крива рівноваги алмаз - графіт;

2 - крива плавлення нікель - вуглець;

3 - крива плавлення нікелю;

4 - область кристалізації алмазу.

Синтез алмазу проводиться в камері типу "сочевиця" об'ємом кілька кубічних сантиметрів (рис. 7). Нагрівання здійснюється індукційнім методом або прямим пропусканням електричного Струму. При зближенні пуансонів реакційна суміш графіту з нікелем (а також із шаруватим пірофілліта) стискається, при цьому в камері розвивається тиск вище 5 · 102 МПа. В результате відбувається перекрісталізація гексагональної крісталічної решітки графіту в кубічну структуру алмазу. Розмір кристалів алмазу залежить від часу синтезу, так як при часу реакції 3 хвилини утворюються кристали масою близько 10 мг, а 30 хв - 70 мг. Найбільш міцні кристали розміром до 0,5 - 0,8 мм, більші мають невисокі фізико-механічні властивості. Кроме описаного методу розроблено ще ряд способів вирощування алмазів.

У 1963 р В. Ж. Еверсолом (США) був запатентований спосіб вирощування алмазів з газової фази (з метану, ацетилену або інших вуглеводнів) при тиску нижче 103 МПа. Суть методу - створення перенасиченої вуглецем газової фази, що утворюється при цьому надлишкова поверхнева енергія на кордоні графіт - повітря сприяє формуванню зародків алмазів. Подібний метод був розроблений в СРСР Б.В. Дерягиним и Д.В. Федосєєвім. При тиску нижчих атмосферного Їм удалось отріматі на затравки з алмазу ніткоподібні кристали синтетичного алмазу з газової фази. Швидкість росту кристалів дуже низька - близько 0,1 мкм / год.

У тисяча дев'ятсот шістьдесят-один р в США Фірмою "Еллайд Хемикал и Дю Пон" був запропонованій вибухово метод одержаний синтетичне алмазів. При направленому вибуху відбувається миттєве підвищення тиску до 200 · 102 МПа і температури до 2000 ° С, при цьому в графіті утворюються дрібні (до 10 - 30 мкм) синтетичні алмази. В СРСР в Інституті надтвердих матеріалів АН УРСР була відпрацьована подібна технологія отримання штучних алмазів, які отримали назву АВ.

У США фірмою "Дженерал Електрик К0" в 1970 році було розроблено метод отримання великих синтетичних кристалів алмазів ювелірної якості на затравки у вигляді пластин. Однако ВАРТІСТЬ вирощування таких алмазів набагато вищє, чем Видобуток природних.

В даний час світове виробництво синтетичних алмазів (без СРСР) становить понад 200 млн. Карат / рік. Головні центри виробництва синтетичних алмазів - США ( "Дженерал Електрик К °"), ПАР ( "Де Бірс"), Англія, Японія.

Рис.7. Схема камери типу "сочевиця":

1 - пуансони; 2 - реакційна суміш графіту з нікелем; 3 - пірофілітових прокладка; 4 - муфта.

У світі випускаються синтетичні алмази наступних видів: АСО - алмази звичайної міцності, АСР - алмази підвищеної міцності, АСВ - алмази високої міцності, АСК і АСС - алмази монокристалічні.

Розмір алмазів АСО, АСР і АСВ 0,04 - 0,63 мм. Крім того, випускаються дві марки мікропорошків - АСМ і АСН з розміром зерен 1 - 60 мкм. Монокрісталічні Синтетичні алмази АСК и АСС ма ють розмір зерен до 1 мм.

Експлуатаційні Властивості шліфувальніх порошків з синтетичне алмазів залежався від форми зерен, характеру їх поверхні и механічної міцності. Найбільш розвинена поверхня характерна для алмазів АСО, а найменш розвинена - для алмазів АСС. Механічна міцність алмазів АСС наближається до міцності природних алмазів.

Синтетичні алмази широко застосовуються для виробництва алмазно-абразивного інструменту, брусків, Кіл шліфувальніх и відрізніх, паст для шліфування, склорізів, різців, бурових коронок, доліт и т.д. В даний час більше 80% потреби в технічних алмазах покривається за рахунок синтетичних.

Крім перерахованих марок синтетичних алмазів в СРСР випускаються полікристалічні алмази типу карбонад, балласи, СВС, використовувані в техніці, а також ряд синтетичних надтвердих матеріалів, що наближаються за своїми фізичними властивостями до природних алмазів - ельбор (або к'юбон), гексані та ін. "Блискуче майбутнє малюється нам для алмазу, коли людина зуміє опанувати таємницею штучного його отримання. Алмаз досі наполегливо зберігає цю таємницю, і то небагато, чого домоглася наука, ще далеко від вирішення проблеми в цілому ... "- так пі сал А.Є. Ферсман в 1945 р, а Вже через кілька років Синтетичні алмази зайнять провідне становище в техніці.

Близько 200 років намагають створити Синтетичні алмази. Десятки лабораторій в різніх странах продолжают Пошуки більш раціональної та ефектівної методики вирощування алмазів як для технічних потреб, так и для ювелірних цілей. Невірішеніх проблем в Цій Галузі дуже багато, проти кожен день набліжає нас до мети и не віключено, что Незабаром будут знайдені економічні Способи одержаний синтетичне алмазів будь-якої форми, розміру, кольору и якості. Природньо дорогоцінне каміння в десятки, а іноді и в сотні разів коштують дорожча своих синтетичне аналогів, незважаючі на ті что Синтетичні камені за якістю и кольори часто значний перевершують природні. Г. Банк пише: "Проте і синтетичні камені належать до світу дорогоцінних каменів. Кожному дано вирішити для себе, як він уявляє собі свій світ дорогоцінних каменів: чи має намір він задовольнитися хорошою копією або ж як і раніше цінує лише оригінал!".