011 Diamenty syntetyczne.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;

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

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.

Zob.: T. Sobczak & N. Sobczak, Diamenty jubilerskie , Wyd. Tomasz Sobczak, Warszawa 2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: