Причины для этого были весомыми. Природные рубины высокого ювелирного качества редки, а потому стоят десятки тысяч долларов за карат. В древности их могли позволить себе только очень состоятельные люди — монархи, аристократы, знать.
Синтетический рубин не менее красив, чем природный, а стоит намного дешевле. Но важна не только цена: технологии синтеза позволили получать кристаллы нужного размера и массы, что сделало возможным создание лазеров на твердотельной основе. Без синтетических рубинов не было бы современной звукозаписи, лазерной хирургии и электротехники.
Как развивались технологии синтеза
Первые попытки синтезировать рубин пришлись на середину XIX века. В 1857 году химик Марк Годен сплавил в глиняном тигле алюмокалиевые квасцы с хроматом калия, и получил кристаллы массой порядка 1 карата. Мелкие кристаллы смогли получить и другие исследователи — Х. Сенорман, Дж. Эбельман, но все эти попытки не имели практического значения.
Прорывом стала методика, предложенная французским химиком Огюстом Вернейлем. Он разработал технологию, позволяющую выращивать кристаллы рубина массой 20-30 карат всего за пару часов. Вернейль не реконструировал природные камни низкого качества, а синтезировал рубины из расплава фторидов бария и кальция с добавлением оксида хрома, позднее — из чистого оксида алюминия.
Метод Вернейля оказался настолько простым и надежным, что привел к запуску массового производства синтетических рубинов. Практически в неизменном виде он применяется и до сих пор, хотя с момента изобретения прошло уже более 100 лет.
Тем не менее, разработка новых технологий синтеза не прекратилась. Позднее появились методы, позволяющие получать крупные кристаллы с высокой степенью чистоты и совершенной структурой — метод Чохральского и метод зонной плавки. Также рубины синтезируют флюсовым и гидротермальным методом, хотя широкого распространения они не получили.
Как рождается синтетический рубин
Метод Вернейля позволяет выращивать кристаллы почти так же, как растут сталагмиты в пещере. Мелкоизмельченный порошок алюминия, или шихта, сыплется тонкой струйкой в специальную печь, где попадает в пламя гремучего газа. Пламя разогрето до очень высоких температур — более 2000 градусов, поэтому порошок расплавляется. Капли расплава стекают вниз, на подставку с затравкой, кристаллизуются, формируя корундовую булю.
Метод Чохральского используется, если нужны рубины высокого ювелирного качества. Кристаллы получаются более однородными, с меньшим количеством газовых пузырьков и включений, низким уровнем остаточного напряжения. Вместе с тем, метод Чохральского затратнее: для его применения необходимо дорогостоящее оборудование, а также тигли из тугоплавких металлов — например, платины.
При синтезе рубинов методом Чохральского исходную смесь окислов помещают в тигель, и нагревают спиральным нагревателем. К поверхности расплава подводят затравку, вращающуюся со скоростью 5-30 мм/час. Она постепенно поднимается, «вытягивая» кристалл вверх. В результате формируется рубин длиной 200-250 мм и диаметром до 20-30 см.
Свойства синтетического рубина
Синтетический рубин не уступает по физическим и оптическим свойствам природному. Он имеет твердость 9 баллов по шкале Мооса, что делает его одним из самых твердых минералов. По показателю твердости рубин уступает только алмазу и муассаниту.
Технологии синтеза позволяют воспроизводить и оптические свойства, характерные для природных камней. Так, методом Вернейля могут быть получены звездчатые рубины — камни с эффектом астеризма. Для этого в шихту вводят небольшое количество окиси титана, а полученные кристаллы подвергают отжигу. Внутри рубина формируются тонкие иголочки рутила, которые могут располагаться по-разному. Если они выстраиваются концентрическими кольцами, то выглядят как многолучевая звезда, если ориентируются только в одном направлении — напоминают кошачий глаз.
Характеристики камня
Стоимость природного рубина зависит от 4-х показателей: цвета, чистоты, массы и качества огранки. Стоимость синтетического — от массы и цвета. Это не значит, что по другим характеристикам он уступает природному камню: зачастую все ровно наоборот.
Цвет
Цвет рубина обусловлен наличием оксида хрома в составе. В зависимости от его концентрации, а также наличия других примесей, рубины бывают:
- красными;
- красно-розовыми;
- красно-коричневыми;
- красно-пурпурными.
Оксид хрома вводится в шихту еще до начала формирования кристалла. Концентрация определяется оттенком, который нужно получить. Например, в рубинах темно-красного цвета максимально допустимое содержание оксида хрома достигает 3%. Большее количество приводит к помутнению кристалла и появлению трещин.
Синтетические рубины глубокого красного цвета без малинового подтона получить сложно, и потому они ценятся выше.
Чистота
Чистота рубина, то есть наличие сторонних включений, зависит от выбранного метода синтеза. Недорогой метод Вернейля приводит к образованию большого количества газовых пузырьков, внутренних трещин и других дефектов. Они не всегда заметны без увеличительного стекла, но все же могут испортить впечатление от украшения.
В рубинах, выращенных методом Чохральского, включения встречаются намного реже. Лучшие кристаллы содержат не более одной частицы размером от 0.5 мкм на 1 см3.
Масса
Метод Вернейля используется для синтеза рубинов небольшого размера. С его помощью можно получить и крупные кристаллы, но с высоким уровнем внутреннего напряжения. Для синтеза рубинов длиной 20-30 см и диаметром до 20 см применяют метод Чохральского.
Форма огранки
Синтетическим рубинам придают любую требуемую форму огранки:
- «овал»;
- «круг»;
- «багет»;
- «сердце».
Форму выбирают таким образом, чтобы подчеркнуть лучшие качества конкретного экземпляра: насыщенный цвет, блеск, игру. Рубины с эффектом астеризма, кошачьего глаза или шелковистостью обрабатывают кабошоном.
Как отличить природный рубин от синтетического
Природные рубины отличают от синтетических по включениям. Не стоит думать, что «лабораторные» камни совершенны, а природные — нет. На самом деле, несовершенства есть и у тех, и других, но они разные.
Природным рубинам свойственна «перистость» — причудливо изогнутые плоскости, напоминающие волны и струи воды. Газово-жидкие включения представлены непрозрачными пузырьками, твердые — рутилом, шпинелью, пиритом, цирконом и другими минералами.
Синтетическим рубинам свойственны включения рутила и других легирующих присадок, а также кристаллы иридия, вольфрама и молибдена — металлов, которые используются при создании тиглей кристаллизационной установки. Для кристаллов, полученных методом Вернейля, характерны многочисленные газовые пузыри разной формы — удлиненные, колбообразные, сферические.
Рубины, синтезированные методом Чохральского, отличить от природных сложнее. Опытный специалист может заметить неоднородность роста кристалла, обусловленную способом его формирования. Но без геммологической экспертизы, только по внешнему виду, выращенный рубин почти не отличим от природного.
Чем ценен синтетический рубин
Синтетический рубин — первый драгоценный камень, который удалось создать человеку. Удачный опыт вдохновил других исследователей на разработку методов синтеза кристаллов. Не будь синтетических рубинов, человек вряд ли научился бы синтезировать сапфиры, изумруды, алмазы.
Синтетический рубин используется не только в ювелирном деле. Крупные монокристаллы востребованы в часовой промышленности, ткацком производстве, металлургии. Главный элемент большинства современных лазеров — рубиновый стержень, и сделан он из синтетического кристалла.
Рубин, выращенный в лаборатории, так же красив, как и природный. Технологии синтеза позволяют воспроизводить полный спектр цветов драгоценного камня, а также получать образцы с интересными оптическими эффектами. Стоимость синтетического рубина при этом в десятки раз ниже, чем природного.