Облагораживание камнесамоцветного сырья, общий обзор технологий
В природе сравнительно редко встречаются самоцветы, пригодные по цвету, блеску, характеру рисунка и другим свойствам для ювелирного дела. А некондиционные сорта их (слабоокрашенные, с неярко выраженным рисунком и др.) распространены довольно широко. Кроме того, многие добываемые самоцветы со временем (особенно под воздействием солнечных лучей) теряют интенсивность окраски. Это относится к топазу, фенакиту, аметисту, кунциту, турмалину и другим минералам.
Чтобы сохранить густоту тона самоцвета и предотвратить его от растрескивания, кристалл некоторое время держат в сыром темном месте. Различные методы сохранения и усиления цвета минерала, а в некоторых случаях изменения его первоначальной окраски известны с глубокой древности.
Так, на Урале, еще в XVIII в., запекая в тесте крупные кристаллы дымчатого горного хрусталя (раухтопаза), получали золотистые цитрины, бывшие тогда в моде при дворе Екатерины II. Чтобы избежать растрескивания, камень вынимали только после полного остывания. Более мелкие камни закладывали в глиняный горшок, засыпали золой и ставили в горячую печь до следующего дня. Чем темнее и равномернее дымчатая окраска в кристалле, тем ярче получался золотистый цвет.
Интенсивность окраски трещиноватых камней, особенно изумрудов, усиливали, проваривая кристаллы в масле в медной посуде. Существовали и другие способы окрашивания самоцветов, известные еще со времен Древнего Рима.
В Германии промышленное окрашивание агатов осуществляли уже в XVIII в. Красный цвет получали окислами железа, а черный - глюкозными и сахарными растворами с длительной выдержкой и подогревом. В XIX в. получали искусственную окраску хризопраза за счет халцедона, обрабатываемого зеленым раствором хромовых квасцов или хромовой кислоты в течение 14 дней с дальнейшим высушиванием и обжигом. Для получения светло-зеленой окраски применяли азотнокислый никель. Халцедоны и агаты в теплом растворе желтой кровяной соли с последующей обработкой железным купоросом окрашивали в синие цвета.
Цветные камни, в Россию попадавшие в то время из Германии (красный - карнеол, зеленый - хризопраз, черный - оникс и др.), были в основном окрашены искусственным путем. Особенно широко развернуты работы по облагораживанию камней в последние десятилетия, что связано с появлением новых физико-химических методов, позволяющих более глубоко изучить природу окраски минералов, а также благодаря появлению аппаратуры, необходимой для этих целей. Применяются нейтронное и гамма-облучение, сочетание облучения и обжига и т. д.
В условиях воздействия нейтронного и гамма-излучения на атомных реакторах окраска алмазов, например, изменяется с первоначально бесцветных или желтоватых до густой темно-зеленой, черной; серые разновидности при гамма-облучении преобразуются в голубые. Один из редчайших оттенков цветовой гаммы алмазов - зеленовато-голубой (изумрудный), получается при гамма-облучении. Эти изменения сопровождаются вариациями спектров абсорбции и электронно-парамагнитного резонанса.
В СНГ имеются значительные запасы некондиционных или малоценных (по окраске) сортов топаза, агата, нефрита, бирюзы, горного хрусталя, халцедона и др. Это обусловило необходимость разработки технологических процессов облагораживания самоцветов, в основу которых легли комплексные исследования различными физическими методами (ЭПР и оптическая спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия) природы окрасок и структурных особенностей камнесамоцветного сырья, с учетом параметров природных процессов минералообразования. Были использованы современные достижения в области роста кристаллов, радиационной физики, кристаллографии и минералогии, а также физики высоких давлений. Со сравнительно небольшими затратами были получены голубые и янтарно-коричневые топазы из бесцветного и слабоокрашенного сырья; гелиодоровая (желтая) и аквамариновая (синяя) разновидности берилла из желто-зеленого и слабоокрашенного сырья; зеленый и черный нефриты из некондиционного сырья; красные, зеленые, коричневые и другого цвета агаты из неокрашенного сырья; красивые разности бирюзы и кремня из малоценного некондиционного сырья и др.
Так, например, коричневый или желтый топаз с красноватым оттенком при нагревании до 300-400oС может перейти в розовый, зеленый берилл при нагревании до 400oС - в голубой (аквамарин) и т. д. Для избежания растрескивания минералы нагревают в автоклавах. В ряде случаев для образования и закрепления интенсивности цвета минералы нагревают и облучают.
Используемые методы облагораживания позволяют получать камнесамоцветное сырье с ювелирными и спектроскопическими характеристиками, аналогичными лучшим природным образцам. Затраты по облагораживанию камнесамоцветного сырья колеблются от нескольких центов до нескольких долларов за грамм продукции (в зависимости от типа сырья и вида технологического процесса), а возрастание коммерческой стоимости в результате облагораживания составляет уже от нескольких долларов до сотен и тысяч долларов для различных видов прозрачных минералов. И еще следует сказать, что некондиционные разности нефрита, агатов, кремней рыночной стоимости практически не имеют, а облагороженная продукция находит широкий сбыт на уровне высокоценных природных сортов.
В СНГ развивается новое направление в облагораживании камнесамоцветного сырья - облагораживание материала для коллекций, в том числе некондиционного (обитых или неравномерно окрашенных монокристаллов и друз). Используя присущую минералам особенность восстанавливать в растворе прежде всего свои кристаллографические формы, а затем продолжать рост как единый монокристалл, разработаны методы "залечивания" и регенерации поврежденных природных кристаллов и наращивания друз. При помощи различных хромоформных добавок можно изменить цвет наращиваемой части кристаллов. Такие монокристаллы и друзы очень эффектны и пользуются большим спросом.
В природных условиях встречаются уникальные щетки, друзы горного хрусталя, аметиста и других минералов. При помощи гамма-облучения слабоокрашенные в природных условиях агрегаты и друзы можно облагородить. При облучении кварцевых друз получается прекрасный коллекционный материал, представленный сростками морионов, цитринов или аметистом. Декоративные особенности целестиновых друз при облучении также существенно улучшаются. Образцы из районов Памира приобретают ярко-голубой, синий и оранжевые красивый цвет, агрегаты и сростки арагонита и гипса - розовый. Основания кварцевых друз окрашиваются менее интенсивно, чем головка и вершины кристаллов.
Таким образом, для повышения декоративных свойств ювелирных изделий из минералов используют гамма-, электронно- и нейтронное облучение. Устойчивую искусственную окраску получают при облучении при температуре 80-350oС. Этими способами повышается качество самоцветов, расширяется диапазон оттенков, интенсивности окраски и равномерного ее распределения по всему минералу.
Объективное определение сортности ювелирного сырья может осуществляться путем сопоставления его цветовых характеристик с окраской природных эталонных самоцветов. Используя методы цветовых координат и гамма-облучения, можно подобрать наиболее оптимальные по окраске заменители дорогих и редких ювелирных камней.
Особенно эффективны комплексное использование облучения минералов и изучение их оптических спектров поглощения, по которым можно определять сходные по окраске камни, окрашенные различными или одним и тем же хромофором.
Особое значение имеет исследование стабильности изменений, приобретенных при облучении и под воздействием нагревания и ультрафиолетового излучения. Некоторые вновь полученные цвета весьма устойчивы, но многие быстро бледнеют или переходят в первоначальные в результате нагревания или под действием солнечных лучей. Низкая радиационная окрашиваемость кристаллов и неустойчивость образующихся центров окраски обусловлены малой концентрацией и высокой подвижностью дорадиационных дефектов.
Некоторые минералы после облучения приобретают не новую окраску, а нежелательный грязный или бурый оттенок. При воздействии облучения изменение окраски происходит постепенно, ее интенсивность (плотность) возрастает при увеличении дозы облучения. При определенной дозе облучения происходит насыщение цветовых тонов. Чтобы подобрать оптимальную дозу, исследуемые минералы наблюдают непосредственно во время облучения, при помощи зеркал, размещенных на экранирующих кулисах-стенках из бетона. Визуальный осмотр производят через свинцовые двери, используя для этого призматический оптический прицел. Наряду с облучением и совместного с ним отжига можно улучшить цвет многих самоцветов и повысить их стоимость (цитрина из дымчатого горного хрусталя и аметиста, аквамарина из зеленого берилла, розового топаза из желтого, осветление густо-зеленых турмалинов, розовый сапфир из фиолетового, красный халцедон из серого, синий циркон из красного и коричневого).
Представляет особый интерес возможность изменения состава минералов под действием проникающих излучений - выжигание вредных примесей, однородное легирование необходимыми микро примесями на основе различных типов ядерных реакций. Эффект каналирования проявляется лишь при облучении кристаллов быстрыми нейтронами, когда смещение атома осуществляется при воздействии значительных энергий.
В ряде случаев для улучшения цветовых качеств и повышения оптической чистоты каменных самоцветов их целесообразно обрабатывать в автоклавах, заполненных раствором при определенной температуре и давлении. Этот способ, исключающий развитие микротрещин и повреждения полировки граней, целесообразен при облагораживании бериллов (аквамарин), амазонита и др.
