Технологія виробництва синтетичного кристалічного кварцу гідротермальних методом
Сімейство кремнезему включає в себе дивно різноманітні дорогоцінні камені. Крім безбарвних мінералів, званих гірським кришталем, в нього входять фіолетовий аметист, жовтий або коричневий цитрин, димчастий кварц, рожевий кварц і коричнева різновид кварцу з включеннями азбесту - тигрове око. Всі ці різновиди кварцу є кристалічну форму кремнезему, або двоокису кремнію (SiO2), з різними типами домішок, що визначають характер забарвлення.
Кварц привернув до себе особливу увагу в середині XX століття. Кристали кварцу мають п'єзоелектричним властивістю, що означає, що вони можуть вібрувати при додатку змінного електричного поля, причому вібрація характеризується постійною частотою, що залежить від розміру вироби. Пластина, вирізана з кристала кварцу, має характерну частоту, яка стабільна в надзвичайно вузькому діапазоні за умови, що температура кварцу залишається постійною. Внаслідок цього кварцова пластина - невід'ємна деталь пьезокварцевого генератора, важливого приладу в техніці.
Фахівці з вирощування кристалів знайшли чудовий метод отримання великих і досить досконалих кристалів кварцу в автоклавах. правильно сприйнявши натяк природи. Якщо до води додати лугу, то при температурі близько 400 o С розчинність кварцу стає досить високою.
Зазвичай кварц вирощують методом з використанням температурного градієнта, коли затравочние пластини, вирізані з кристалів, розташовані у верхній холодній частині розчину, а дрібні частинки кварцовою "їжі" - в нижній гарячої секції. Зазвичай в тій частині, де розташовані затравки, температура 360 o С, а в живильної області - 400 o С. Кількість розчину ретельно регулюється з тим, щоб при температурі і тиску, необхідних для вирощування кристалів, він повністю заповнював порожнину судини. При високій температурі дрібні частинки кварцу розчиняються і конвективними потоками кремнезем переноситься вище в область, де ростуть кристали. Затравочние пластини вирізаються перпендикулярно осі третього порядку кристала кварцу, уздовж якої швидкість росту найбільша. Кристали можуть рости зі швидкістю близько 1 мм / сут.
В кінцевому підсумку кристал мав би увінчатися подвійний пірамідою, однак штучне вирощування закінчують раніше, так як габітусние грані піраміди ростуть дуже повільно. Поверхня синтетичного кристала має характерний вид бруківки, що робить можливим дізнаватися такі кристали до їх огранки. Нерівна поверхня кристала пов'язана з дефектами внутрішньої структури кристала, це дозволяє ідентифікувати синтетичні кристали кварцу навіть після ограновування, правда для виявлення цих дефектів структури можуть знадобитися складні прилади.
До початку 70-х рр. XX століття виробництво забарвлених кристалів кварцу зазнавало труднощі, пов'язані з тим, що солі багатьох металів нерозчинні в лужних розчинах, а зростаючі кристали кварцу характеризуються дуже сильною тенденцією "відторгати" домішки, які протягом процесу зростання кристала кварцу залишаються в розчині незмінними. Це властивість пояснює природну чистоту кристалів гірського кришталю і молочну білизну кристалічних агрегатів кварцу, досить поширених в природі.
Залізо може входити до складу кристалів, якщо для розчинення кварцу замість натрієвих в воді розчиняють калийсодержащие з'єднання. В цьому випадку кварц набуває зелене або коричневе забарвлення. Ці кольори не дуже привабливі, і їх не можна було змінити на більш бажаний фіолетовий колір аметиста. Блакитний кварц вперше був отриманий в СРСР, де вирощування кварцу з гідротермальних розчинів велося в дуже широких масштабах. Привабливий блакитний колір, не характерний для природних каменів, обумовлений присутністю кобальту. Блакитні кристали отримані нагріванням кобальтвмісних каменів в відновлювальної (при дефіциті кисню) атмосфері в результаті перетворення тривалентних іонів кобальту в двовалентні.
Коричневі синтетичні кварци, що нагадують природний цитрин, були отримані додаванням в гідротермальний розчин сполук заліза, причому затравочние пластини вирізалися в спеціально обраних напрямках. Коричневе забарвлення обумовлена або входженням в кристалічну решітку іонів тривалентного заліза, або тонкодисперсними силікатами заліза, присутніми у вигляді дуже дрібних частинок усередині кристала кварцу. Низькі концентрації іонів тривалентного заліза призводять до утворення кристалів жовтого кольору (класичних ювелірних цитринів).
Зелені камені, яких не існує в природі, отримують нагріванням коричневих різновидів для відновлення тривалентного заліза до двовалентного або в кристалічній решітці, або в тонкодисперсних частинках.
При радіоактивному опроміненні (наприклад, в якості джерела випромінювання використовують кобальт-60) містить залізо кварц набуває фіолетове забарвлення, характерну для аметисту. Такий колір обумовлений існуванням в речовині так званих центрів забарвлення, які виконують роль електронних пасток і затримують саме ті електрони, які викликають селективне поглинання світла і тим самим призводять до фарбування каменю в фіолетовий колір.
Можна припустити, що для центрів забарвлення, що визначають колір аметиста, необхідна присутність іонів тривалентного заліза. Освіта центрів забарвлення вимагає відносно високих енергій при низькій температурі. Цю енергію найзручніше подавати за допомогою радіоактивних частинок, які бомбардують кристал. Якщо бомбардування здійснюється при високих температурах, то центри забарвлення не утворюються, так як в цьому випадку електрони повертаються на свої початкові орбіти. І дійсно, експерименти підтверджують, що фіолетове забарвлення зникає, якщо камені нагрівати. Ймовірно, метод, який використовується для отримання синтетичного аметиста, відтворює реальні природні умови, так як природні кристали кварцу при утворенні аметисту тривалий час піддаються радіоактивному опромінюванню завдяки присутності в породах радіоактивних елементів.
Темно-коричневий колір кристалів димчастого кварцу також зобов'язаний характерному екрануючій впливу центрів забарвлення. У природних мінералах ці центри утворюються завдяки одночасної присутності в кристалах домішок натрію (або літію) та алюмінію, які обов'язково згодом повинні бути опромінені. Колір синтетичних каменів посилюється при додаванні в розчин невеликих кількостей германію з подальшим опроміненням одержуваних кристалів, які до цього були безбарвними.
Таблиця отримання кольору синтетичного кварцу