011.Diamenty syntetyczne

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Diamenty syntetyczne
Badania nad syntezą diamentów zapoczątkowano w pierwszej połowie XIX w. (W. N. Karazin, B.
Silliman i in.). Pierwsze pojedyncze diamenty, w warunkach laboratoryjnych, otrzymano w 1880 r. (J. B.
Hannay), jednak musiało upłynąć wiele dziesięcioleci aby można było ze skali laboratoryjnej przejść na
skalę techniczną.
Za początek wielkiej syntezy przyjmuje się 1955 r., kiedy to zespół F. P. Bundy’ego z General Electric
Company (Scheneetady, Nowy Jork) otrzymał pierwszą, większą partię syntetycznych diamentów
przemysłowych, o masie pojedynczych egzemplarzy poniżej 0,10 ct. Przy podejmowaniu badań
większość uczonych swoją uwagę koncentrowała na możliwości syntetyzowania diamentów z grafitu, a
ściślej na przeprowadzaniu grafitu w diament. Wiadomo, że grafit i diament to dwie krystaliczne
odmiany węgla znacznie różniące się właściwościami fizycznymi i strukturą. Grafit krystalizuje w
układzie trygonalnym lub heksagonalnym, natomiast diament w układzie regularnym. Bezpośrednie
przejście grafitu w diament zachodzi w temperaturze ok. 2800
oK
i pod ciśnieniem rzędu 12000 MPa.
Zbudowanie aparatury, która wytrzymałaby tak wysokie ciśnienie i temperaturę, było niezwykle trudne,
zwłaszcza biorąc pod uwagę przemysłową skalę produkcji. Metodę te określano skrótowcem HPHT (od
ang.
High Pressure and High Temperature
).
Początkowo syntezowane diamenty były niewielkie i zdefektowane. W wyniku doskonalenia procesów
syntezy udało się otrzymać diamenty o dobrych cechach jakościowych i wielkości umożliwiającej ich
obróbkę. Ponieważ wszystkie procesy syntezy są strzeżone tajemnicą patentową, można jedynie
przedstawić ich ogólną charakterystykę. W przypadku General Electric Company (USA) istota procesu
polegała m.in. na umieszczeniu w specjalnej komorze, o dużym gradiencie temperaturowym, małych
kryształów zarodziowych diamentu, w kontakcie z metalami (żelazo, nikiel), które powodowały
rozpuszczanie grafitu. Występująca różnica temperatur pomiędzy środkową częścią komory (ok. 1730
oK)
a jej częścią dolną i górną (ok. 30
oK)
sprawiała, że najwięcej grafitu rozpuszczało się w części środkowej.
Następnie, w wyniku różnicy stężeń, część grafitu dyfundowała do części chłodniejszej, gdzie
następowało jego „odkładanie” na kryształach zarodziowych. Szybkość wzrostu diamentów wynosiła ok.
0,010... 0,013 ct/godz., a ich wielkość zależała od wielkości kryształów zarodziowych. W optymalnych
warunkach średnica syntezowanych diamentów osiągała ok. 5 mm.
Do 1986 r. diamenty syntetyczne, ze względu na wysoki koszt ich otrzymywania, nie znajdowały
zastosowania w przemyśle jubilerskim. Obecnie są one już niekiedy wykorzystywane, choć nadal są o
wiele droższe od diamentów naturalnych. Ich głównymi producentami są: General Electric Company
(USA), De Beers Research Laboratory (RPA), Kijowski Naukowy Instytut Syntezy Diamentów (Ukraina),
Sumitomo Electric Industries of Itami (Japonia) oraz Chatham Inc. (USA) (prawdopodobnie firma ta
oferuje do sprzedaży kamienie produkcji rosyjskiej lub ukraińskiej).
Diamenty syntetyczne mogą być wytwarzane w różnych odcieniach barw - od prawie bezbarwnych do
żółtych lub niebieskoszarych:
1) General Electric - prawie bezbarwne; także o barwach fantazyjnych: szaroniebieskiej i żółtej; masa
kryształów do ok. 5 ct;
2) De Beers - fantazyjne odcienie barw: żółte, brązowożółte, zielonawożółte; masa kryształów do ok. 12
ct;
3) Sumitomo - odcienie barwy żółtej o różnym stopniu nasycenia barwą; masa kryształów do ok. 2 ct;
1
4) Kijowski Instytut Syntezy - prawie bezbarwne do żółtych o różnym stopniu nasycenia; masa
kryształów znaczna (bliższych danych brak).
Cechy diagnostyczne
Wszystkie diamenty syntetyczne dotychczas produkowane wykazują znamiona wewnętrzne znacznie
różniące się od znamion wewnętrznych ich naturalnych pierwowzorów. Typowymi znamionami,
charakterystycznymi dla procesów syntezy, są nieprzezroczyste, metaliczne resztki pokrystaliczne,
które mogą występować w postaci inkluzji pojedynczych lub chmur inkluzji. Mają kształt trójkątnych
płytek lub kształt włosopodobny, niekiedy strzępiasty, z wyglądu przypominający miotłę (ang.
broom-like
inclusions
).
Charakterystyczne mogą też być różnego rodzaju niehomogeniczności struktury ujawniające się w
postaci bezbarwnych żyłek lub stref barwnych. Diamenty syntetyczne (dotychczas produkowane) nie
wykazują fluorescencji pod wpływem długofalowego promieniowania UV (DUV); pod wpływem
krótkofalowego promieniowania UV (KUV), tylko kamienie o żółtej barwie fantazyjnej dają wyraźne
świecenie barwy żółtej lub zielonej. Wszystkie diamenty syntetyczne, za wyjątkiem żółtych, wykazują
względnie długotrwałą i silną fosforescencję. Są też przewodnikami i nie wykazują widma
absorpcyjnego, tak charakterystycznego dla diamentów pochodzenia naturalnego. Wykazują także
anomalną dwójłomność o charakterystycznym wzorze. W przeważającej większości są też
magnetyczne.
Rozpoznawanie diamentów syntetycznych
Tok postępowania zmierzający do odróżnienia diamentów syntetycznych i ich naturalnych
pierwowzorów jest następujący:
1) obserwacja kamienia pod dużym powiększeniem (mikroskop gemmologiczny) - uważna obserwacja
inkluzji to pierwszy krok dobrze służący celom identyfikacyjnym. Jeżeli na przykład badany kamień
zawiera przezroczysty lub dobrze przeświecający, bezbarwny lub barwny wrostek krystaliczny (np.
granat, enstatyt, diopsyd), wówczas można domniemywać, iż mamy do czynienia z wrostkiem
mineralnym, co wskazywałoby na naturalne pochodzenie kamienia. Gdy zaś wrostek jest ciemny i
nieprzezroczysty albo gdy ma charakter metaliczny lub wykazuje metaliczny połysk, wówczas po
sprawdzeniu właściwości magnetycznych) można sądzić, iż mamy do czynienia z resztką topnika, co
wskazywałoby na syntetyczny charakter kamienia W przypadku, gdy badany kamień jest wysokiej
czystości i brak jest charakterystycznych inkluzji, wówczas pod mikroskopem obserwujemy rozrost
kryształu. Wiadomo, że w przypadku jakiegokolwiek zakłócenia procesu krystalizacji powstają granice
niejednorodności struktury. Jeżeli zatem podczas badania kamienia zauważy się, że rozrostowi
kryształu towarzyszyło tzw. ziarnowanie bezbarwne, dobrze widoczne przez pawilon w formie klepsydry,
wówczas możemy sądzić, iż mamy do czynienia z diamentem syntetycznym. W diamentach naturalnych
zawsze bowiem mamy do czynienia z ziarnowaniem barwnym (białawym lub o innej barwie).
W przypadku, gdy testom identyfikacyjnym poddawane są kamienie barwne, pomocnymi mogą okazać
się wszystkie zaobserwowane strefy barwne. Płaskie wstęgowania barwne albo zmętnienia zawsze
wskazują na diamenty naturalne, natomiast wstęgowania zygzakowate lub podzielone na dobrze
widoczne sektorowe strefy zmętnienia na diamenty syntetyczne.
2) fluorescencja w nadfiolecie - obserwacja barw fluorescencyjnych to drugi krok
2
w postępowaniu identyfikacyjnym. Do niedawna odcień, jasność czy stopień nasycenia barw
fluorescencyjnych traktowane były jako cechy służące głównie celom diagnostycznym, obecnie równie
często celom identyfikacyjnym. Wiadomo, że większość diamentów naturalnych daje niebieskie
świecenie przy długofalowym promieniowaniu UV oraz świecenie żółtawe, zwykle słabsze, przy
krótkofalowym UV. Świecenie to ma rozkład równo-mierny co oznacza, że obserwowane barwy
fluorescencyjne mają jednakowe lub bardzo zbliżone nasycenie. W przypadku diamentów
syntetycznych świecenie jest zwykle żółte lub zielonawożółte w obu zakresach promieniowania UV, z
reakcją widocznie silniejszą dla promieniowania krótkofalowego. Ponadto diamenty syntetyczne w obu
zakresach UV, dają wzory rysunków o kształtach skrzyżowanych lub ośmiościennych, rzadziej inne.
Mówimy wówczas o tzw. strefowaniu barw fluorescencyjnych.
3) badanie widm absorpcyjnych (spektroskopia) - ważnym testem identyfikacyjnym jest obserwacja
widm absorpcyjnych przy użyciu pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej. Do niedawna test ten był
wykorzystywany głównie do określania barwy lub pochodzenia barwy diamentów, ostatnio równie
często w celach identyfikacyjnych. Wiadomo, że widmo absorpcyjne z jego licznymi liniami absorpcji
może wskazywać na pochodzenie diamentów. Na przykład diamenty naturalne zaliczane do serii
Cape
wykazują mniej lub bardziej wyraźne linie absorpcji przy 415, 452, 465 i 475 nm, przy czym linia
absorpcji przy 415 nm jest ich cechą charakterystyczną (zwłaszcza diamentów bezbarwnych do
jasnożółtych). Jeżeli zatem badany diament nie wykazuje tej linii może to wskazywać, że mamy do
czynienia z diamentem syntetycznym.
Równocześnie, o ile diamenty naturalne (lekko zabarwione) wykazują dodatkowe linie absorpcji przy
496, 503, 595 i 637 nm , o tyle diamenty syntetyczne ukazują wiele takich linii w zakresie pomiędzy 470
a 700 nm. Jest to spowodowane używaniem w trakcie syntezy topnika zawierającego nikiel. Dokonanie
szczegółowej analizy poszczególnych linii
w widmie może dawać dobre rezultaty identyfikacyjne.
4) właściwości magnetyczne - metale lub ich związki używane w procesie syntezy
w charakterze topników bardzo często pozostają w diamentach syntetycznych w formie inkluzji. Ich
wielkość bywa zróżnicowana od mikroskopowej do cząstek dużych, dostrzegalnych gołym okiem.
Niektóre z nich mogą wykazywać właściwości ferromagnetyczne co może stanowić podstawę dobrego
testu identyfikacyjnego. W takim przypadku wystarczy tuż nad diamentem, zawieszonym na delikatnej
nici, umieścić silny magnes stały i poruszając nim obserwować zachowanie się diamentu. Równoległe
podążanie diamentu za ruchem magnesu będzie wskazywać, że składnikiem zaobserwowanych inkluzji
są ferromagnetyki ( np. Ni, Fe, Co), które w diamentach naturalnych nie występują. Test ten jest
szczególnie przydatny w przypadku inkluzji ciemnych, matowych lub połyskliwych, podobnych do
grafitu.
5) naprężenia - pojawienie się sztucznej (anomalnej) dwójłomności w ośrodku izotropowym jakim jest
diament (zjawisko Kerra), wywołanej naprężeniami sieci krystalicznej, może być dobrym testem
identyfikacyjnym dla diamentów wolnych od inkluzji (czystych) i o doskonałej barwie (D wg skali GIA),
także dla diamentów nie wykazujących pod spektroskopem przynależność do serii
Cape
. Test ten
przeprowadza się pod polaryskopem lub pomiędzy dwoma skrzyżowanymi filtrami polaryzacyjnymi
zamocowanymi na mikroskopie gemmologicznym. Diamenty naturalne zawsze ukazują wstęgowania,
siateczkę rys albo cętkowane wzory naprężeń o jaskrawych barwach interferencyjnych, natomiast
diamenty syntetyczne, krzyżujące się cętki o przyćmionych (stonowanych) barwach, najczęściej czarne
lub szare.
3
Zob.: T. Sobczak & N. Sobczak,
Diamenty jubilerskie
, Wyd. Tomasz Sobczak, Warszawa 2004
4
[ Pobierz całość w formacie PDF ]