А камни-то, крашеные! Как петербургские ученые меняют расцветку полудрагоценных фианитов на заказ?

В Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого группа ученых разработала методику окраски полудрагоценных камней с помощью оксидов металлов. Но чтобы понять, как с помощью физики и химии изменить цвет камня, придется погрузиться в науку.

Фианит – это что?

Фианит – это искусственный камень. Синтезированный учеными кристалл очень близок по своим показателям к алмазу. Сходен и по твердости, и по коэффициенту преломления света. Именно поэтому после открытия методики выращивания фианитов на мировом рынке ждали обрушения цен на алмазы. Но не случилось. Люди продолжали инвестировать в природные камни. Их цена только росла. А вот синтетический собрат стоил намного дешевле. Хоть и с успехом исполнял роль дублера бриллианта в недорогих украшениях.

По химическому составу это совершено разные камни, алмаз – чистый углерод.

Химическая формула фианита – Zr0,8Ca0,2O1,92

Рожден в Советском Союзе

Фианитами эти красивые кристаллы называются только в России. Во всем мире они известны как «кубический оксид циркония». На знаменитых кристаллах австрийской компании под микроскопом можно рассмотреть надпись, сделанную лазером – «оксид циркония».

Но родина этих камней – Советский Союз. Впервые их синтезировали в 1970 году в Физическом Институте Академии Наук имени Лебедева. Сокращенно ФИАН. Делать украшения ученые не рассчитывали – им нужны были твердые кристаллы высокой прозрачности для лазеров. Кстати, камни до сих пор используют в приборах.

Когда б вы знали, из какого сора растут стихи… и фианиты

Фианит выращивают в огромных печах. Внутрь засыпаются составляющие: окись циркония (которая выглядит как сероватый порошок), куски предварительно сплавленной шихты (спаянные заранее куски остальных необходимых реактивов) и кристаллические отходы от предыдущего плавления. Кристалл начинает расти при температуре 2300 градусов. Со скоростью 8-10 миллиметров в час. Как сосулька, только вверх. Позже его разбивают на мелкие камушки.

Красить этот «сталагмит» начали уже в 70-х. Но технология была экономически не выгодна. Краситель добавлялся в начале плавки, и кристалл окрашивался по всей площади, но не равномерно. Цвет был насыщенным ближе к центру, а вся периферия шла в брак.

Встречаются и образцы, покрашенные вручную. Но цвет с них легко стирается иногда даже ногтем. Перед учеными из политехнического университета стояла задача разработать метод, который позволит получать покрытие такое же прочное, как и сам фианит. Способное выдержать температуру плавления метала. Ведь камни при ювелирной обработке вплавляются в украшения.

«Цветные» металлы на камнях

Чтобы придать стойкую окраску, решили сделать полудрагоценный фианит драгоценным. С помощью шпинели. Эту цветную смесь оксидов металлов выращивают на кристаллах способом магнетронного напыления. Чтобы понять, что и чем красить, пришлось провести сотни опытов и ряд сложных вычислений. Первым делом обратились к геологической литературе, где еще с XIX века копились знания о драгоценных камнях и их цветах. Но никто никогда не задумывался – какие примеси, каких веществ и в какой пропорции дают, например, изумруду его зеленый блеск. Сегодня освоена внушительная палитра: не даются только оттенки ярко-красного.

Как пасхальные яйца

Чтобы покрасить яйца к празднику, их нужно долго варить в луковой шелухе. За счет температуры пигмент намертво въедается в скорлупу. Фианит намного плотнее. Его так легко не возьмешь.

На выручку пришел метод магнетронного напыления. Аппарат по покраске камней был создан в стенах политехнического университета с нуля. Бесцветные кристаллы выкладываются на подложку и помещаются в вакуумную камеру. В крышке устанавливается металлическая мишень. Под влиянием инертного газа из нее «выбиваются» атомы. Затем при отрицательном давлении и высокой температуре в дело вступает плазма. Именно она переносит частицы на камни.

Чем больше слоев, тем интенсивнее оттенок. После часовой обработки камни принимают цвет того материала, которым их обработали.

Следующий этап процесса – запекание при 1000 градусах. Из пекла появляются яркие фианиты – хоть сейчас в кольца и серьги.

Фианит VS бриллиант

Фианит уступает «старшему брату» бриллианту лишь несколько пунктов по главным «каменным» характеристикам. Коэффициент преломления диоксида циркония доходит до 2,25. Это всего лишь на 0,26 меньше, чем у натурального алмаза.

Твердость тоже близка к «оригиналу» – разница в 1,44 бриллиантовых единиц.

Твердость по шкале Мооса

Бриллиант – 10

Фианит – 8,56

Коэффициент преломления

Бриллиант – 2,51

Фианит – 2,25

Плотность, г/см3

Бриллиант – 3,47-3,55

Фианит – 6,5-10

Но граммовый алмаз стоит 3,5 миллиона рублей, а грамм фианита всего 40.

А вот покрасить бриллиант в «Политехе» не могут. Но виноват в этом самый твердый камень на планете. Он горит при 600 градусах, а процедура спекания шпинели завершается при тысяче. Сжечь камень стоимостью в миллионы было бы досадно. Да и бессмысленно. Ведь эти камни так и ценятся – потому что любые попытки их изменять вносятся в «личное дело» каждого минерала. И сильно влияют на цену – в сторону ее снижения.

Как не обмануться?

Но легко ли отличить «младшего брата» от «старшего». Если единственная разница в них это температура горения и цена. Химики сделают это легко – все-таки вещества разные. А вот на глаз определить истину любителям будет нелегко. Знатоки отличают по блеску, или, как говорят, игре. Но есть и проверенные методы: у алмаза очень высокая теплопроводность, у дублера она, наоборот, низкая. Если поместить камни в холодильник, а потом достать их – первый будет холодным, а второй теплым. Ну, и если вы точно знаете, что один из камней алмаз, можно попробовать поцарапать им фианит. Должно получиться.

А фианит это искусственный алмаз?

Нет. Сегодня перед покупателями стоит еще одна проблема – ученые научились выращивать синтетические алмазы. И от природных они ничем не отличаются. До недавнего времени в ювелирном деле их применение было запрещено. Но некоторые крупные мировые компании понемногу отказываются от этого табу. Закупают аппаратуру для выращивания камней. И пока даже обязуются маркировать такие изделия – как синтетические. Правда, в случае утери документов происхождение алмазов установить уже не получится. Как на нововведения отреагирует рынок, покажет только время. Алмазы, кажется, даже крепче него.