Понятие монокристалла для природных и синтетических камней
Все статьи этой группы рассчитанны на аудиторию, имеющую определенную базовую подготовку. Материалы рассчитаны на лиц, имеющих полное среднее образование, студентов и лиц, имеющих высшее образование научно-технического профиля. Лицам, имеющим гуманитарное и неоконченное среднее образование, материалы могут представлять определенные трудности для понимания.
Драгоценные камни - это очень высоко ценимые за свою красоту, прочность и редкость минералы, которые можно носить в качестве украшения или использовать для декорирования предметов искусства. Невозможно точно определить, что следует понимать под словами "драгоценный камень". С годами вкусы публики менялись, но любой камень, даже обыкновенная прибрежная галька, если она удачно использована в украшении, может высоко цениться и, следовательно, считаться ювелирным камнем (такими недрагоценными камнями являются, например, ставролиты).
По оптическим свойствам различные драгоценные камни существенно отличаются друг от друга. Если большинство из них обладают высокой степенью проницаемости для света, то другие, такие, как лунный камень или тигровый глаз, полупрозрачные или дымчатые, а небольшая часть камней, например лазурит, непрозрачна.
В большинстве своем драгоценные камни окрашены, и именно цвет многих из них, в том числе рубина, изумруда, опала и александрита, является самой важной характеристикой и придает камням их привлекательность. Бесцветные камни также пользуются чрезвычайно большой популярностью, наиболее ярким примером является алмаз. Красота бесцветных камней зависит в основном от двух свойств, известных как блеск и псевдохроматизм ("игра цветов").
Псевдохроматизм - это цветовой эффект, демонстрирующий цвета спектра, который можно наблюдать при дисперсии света, словно он проходит сквозь призму или через дождевые капли, когда они образуют радугу.
Блеск - это способность драгоценных камней собирать свет под широким углом и отражать его к глазу. Этот эффект значительно усиливается огранкой драгоценного камня - игрой множества небольших граней, умело вырезанных под точно выбранными углами. При повороте ограненного камня свет отражается от непрерывно сменяющих друг друга поверхностей, и визуальная красота камня зависит от его блеска, а также сочетания блеска и "игры цветов".
Для определения твердости в минералогии, ювелирном деле и геммологии широко применяется шкала, предложенная в 1811 году Фридрихом Моосом. Чтобы представить себе, что такое твердость, можно проделать несложный опыт. Проведите монетой по стеклу. Вы увидите, что на нем не осталось никакого следа. Теперь проведите по стеклу кончиком ножа. След остался. Это говорит о том, что твердость монеты ниже твердости стекла, а твердость стали - выше. Так же путем царапания одного минерала о другой определяется относительная твердость.
Эта шкала - перечень десяти минералов с номерами от 1 до 10, которые служат для определения относительной твердости минералов:
1. Тальк (очень мягкий)
2. Гипс (царапается ногтем)
3. Кальцит (царапается гвоздем)
4. Флюорит
5. Апатит
6. Ортоклаз (семейство полевых шпатов)
6,5. Оконное стекло (не входит в шкалу, но по нему часто проверяют)
7. Кварц (горный хрусталь - кристаллический кварц)
8. Топаз
9. Корунд (рубин, сапфир)
10. Алмаз (самый твердый)
Согласно "Геологическому словарю", самоцветы - это "прозрачные бесцветные и цветные драгоценные и полудрагоценные поделочные минералы и горные породы, обладающие какими-либо ценными свойствами: высокой твердостью, прозрачностью, красивым цветом или рисунком, блеском, большим светорассеянием, способностью принимать огранку, шлифовку и полировку. Применяются как украшения, ювелирные, художественные и декоративные изделия". Самоцветами можно назвать и ценные камни, которыми облицованы соборы, мавзолеи, станции метрополитена. Впервые более широкое толкование термина было дано в "Геммологическом словаре" П.Дж.Рида, выпущенном в Великобритании в 1982 году. Автор словаря уточняет, что самоцветом считается не только "обработанный камень, внешний вид которого позволяет использовать его в ювелирных украшениях", но и "материал, красота, редкость и прочность которого позволяют использовать его в качестве ювелирного сырья. Может быть как органического, так и неорганического происхождения".
Настоящий переворот в получении монокристаллов синтетических драгоценных камней был произведен французским химиком М. А. Вернейлем, который в 1892 г. разработал способ получения синтетического рубина. В промышленности этим методом стали пользоваться для выращивания синтетических рубинов, а затем и для синтеза других драгоценных камней - сапфира, шпинели, александритоподобного корунда и др. По мере развития и совершенствования техники выращивания монокристаллов были разработаны другие способы, которые позволяли получить ряд других синтетических камней - аналогов природного рутила, кварца, алмаза, изумруда и др. Были созданы и новые виды кристаллов, аналогов которых нет в природе. В настоящее время существует ряд методов искусственного выращивания монокристаллов ювелирных камней.
Красота и ювелирная ценность камня максимальны лишь тогда, когда он представлен монокристаллом. Что такое "монокристалл", трудно понять неподготовленному читателю. Если бы с помощью "атомного" микроскопа мы смогли заглянуть внутрь кристалла, то увидели бы, что атомы расположены в правильной последовательности и между двумя любыми противоположными краями кристалла относительно простое распределение атомов многократно повторяется. В соответствии с такой симметрией внешние грани (обычно называемые габитусными или естественными гранями) образуют друг с другом постоянные углы, и потому зачастую минерал в виде отдельного кристалла можно определить по его внешнему виду. Внутренняяя структура обуславливает особые свойства монокристаллов.
Признаками хорошо образованных форм монокристалла являются ровные, блестящие грани, отсутствие входящих углов (только двойниковые сростки имеют разнообразные входящие углы). Часто грани кристаллов бывают шероховатыми, с притупленными ребрами, а сами ребра закругленными. Подобные особенности следует относить за счет процессов последующего растворения, когда на кристалл воздействовали активные растворы. Изображенный на схеме кристалл состоит из атомов всего двух видов; структуры минералов бывают более сложными.
Многочисленные физические и химические свойства выкристаллизовавшихся минералов, такие, например, как характер роста кристаллов, форма кристаллов, твердость, спайность, растворимость и т. д., зависят от химического состава кристаллов, от их упорядоченного атомного или молекулярного строения. Изучением этих вопросов заняты специалисты одного из наиболее важных направлений исследований в кристаллографии. Например, кристалл каменной соли - хлорида натрия (NaCl), состоит из атомов натрия и хлора. По углам кубической элементарной ячейки NaCl располагаются, чередуясь, атомы натрия и хлора. Эти "кирпичики" расположены в пространстве закономерно. В целом подобная конструкция называется кристаллической решеткой. Каменная соль образует кубические кристаллы и спайные выколки по кубу именно вследствие своей характерной структуры.
В соответствии с химическим и кристаллографическим многообразием в минеральном мире существует некоторое количество структурных типов кристаллических решеток, иногда построенных просто, но чаще имеющих весьма сложное строение. Исследования атомного строения кристаллических решеток, успешно проводимые с помощью рентгенографии, включают изучение неорганической химии минералов и современной атомной (ядерной) физики.
По мере развития минералогических знаний содержание современного понятия минерала значительно сужалось: вначале из него были исключены окаменелые остатки животных и растений, затем горные породы (композитные продукты, состоящие из нескольких минералов), природные жидкости и газы и, наконец, некристаллические аморфные вещества (стекла и полимеры). В настоящее время к минералам относят кристаллические продукты геологических процессов, существующие в виде конкретных химических веществ и физических тел. Природа каждого минерала определяется его химическим составом и кристаллической структурой. Под последней понимается способ упорядоченного размещения, упаковки в пространстве кристалла составляющих его атомов, точнее, ионов - положительных (катионов) и отрицательных (анионов), которым условно на схемах приписывают шарообразную форму (для удобства наглядности, но не более !!). Одинаковые ионы располагаются параллельными рядами через равные расстояния порядка 10-7 мм, образуя кристаллическую решетку.
Распространенными можно считать около 300 минеральных видов (из них больше 100 описано на нашем веб-сайте). Около 300 наиболее редких видов известно только в микроскопических выделениях, приблизительно столько же - в виде нестойких выцветов, вулканических возгонов и солей, образующихся при выветривании рудных месторождений. Около 300 минералов встречено лишь один раз за всю историю минералогии, а около 800 - не более 4-5 раз на всей территории Земли. Распространение минералов в земной коре крайне неравномерно: почти вся масса ее состоит всего из нескольких десятков наиболее распространенных минералов, остальные же встречаются лишь в виде отдельных скоплений или даже рассеянных зерен. В настоящее время надежно установлено около 3000 минеральных видов и ежегодно открывается 20-30 новых. С другой стороны, время от времени выявляется идентичность двух видов, и один из них исключается из минералогической номенклатуры.
Хорошим примером проявления характерной формы минерала из семейства драгоценных камней является горный хрусталь - бесцветные кристаллы кварца, найденные в Альпах и впервые описанные, от которого и произошло слово "кристалл". Оно восходит к греческому "кристаллос", означающему "лед", так как в древности полагали, что горный хрусталь представляет собой лед, образовавшийся из воды, навсегда застывшей вследствие сильных холодов, царящих высоко в горах.
Некоторые драгоценные камни не являются монокристаллами, среди них наибольшую ценность представляет опал. В поликристаллических материалах внутренние границы между слагающими их очень мелкими "кристаллитами" рассеивают свет таким образом, что вещество становится полупрозрачным или даже непрозрачным. Вот почему прозрачный кристалл кварца, раздробленный молотком на мельчайшие кусочки, превращается в довольно тусклый белый порошок.
В качестве еще одного примера можно привести мел, представляющий собой непрозрачную форму карбоната кальция. Но он совершенно прозрачен, когда образует монокристаллы, которые геологи называют кальцитом и исландским шпатом.
Труд гранильщика дает наибольший эффект только при работе с монокристаллами, когда грани на драгоценном камне располагаются под углами, соответствующими кристаллографическим характеристикам материала. Все прозрачные камни, включая драгоценные - алмаз, изумруд, рубин и сапфир, являются монокристаллами, поэтому потенциальный изготовитель синтетических камней должен уметь их выращивать. Это же требование является основополагающим при промышленном производстве целого ряда кристаллов, предназначенных для самого широкого применения.
Стекло, например, также прозрачно и широко используется для изготовления недорогих украшений. Стекла отличаются от монокристаллов тем, что в них отсутствует правильное расположение атомов и наш "атомный микроскоп" обнаружил бы довольно хаотическую структуру, без выдержанной упорядоченности, свойственной кристаллическим материалам. Отсутствие упорядоченного строения неизбежно приводит к тому, что стекла лишены внутреннего отражения, присущего кристаллическим драгоценным камням, и потому их нельзя сравнивать с монокристаллами.
Стекло относится к аморфным веществам. В 1758 г. австралийский химик Иозеф Штрасс разработал способ изготовления стеклянного сплава, чистого и бесцветного с относительно высоким показателем преломления. Сплав, состоящий из кремния, оксидов железа и алюминия, а также извести и соды, прекрасно гранился и шлифовался и после огранки отдаленно напоминал бриллианты. Состав его следующий: 38,2% кремнезема, 53% оксида свинца и 8,8% поташа. Кроме этого, в смесь добавляли буру, глицерин и мышьяковистую кислоту. Для страза характерна высокая дисперсия, он хорошо поддается огранке. Для получения рубинового цвета в стеклянную массу добавляли 0,1% кассиевого порфира, сапфирового - 2,5% оксида кобальта, изумрудного - 0,8% оксида меди и 0,02% оксида хрома. Такой искусственный камень называется стразом.
Сегодня стразы, произведенные в Восточной Европе, называют в честь торговой марки "камнями Сваровски", "кристаллами Сваровски", но это название в корне неправильно, ошибочно и является не более чем торговыми спекуляциями. Эти действия могут расцениваться как искусственная попытка поднять цену стразов в бижутерии выше стоимости ювелирных монокристаллов в ювелирных изделиях, причем отнюдь небезуспешная (реклама делает свое дело). В отличие от фианитов (кубических цирконов) и синтетических корундов, изделия из особого стекла со специальным покрытием не являются ни камнями, ни кристаллами и не имеют выигрышных характеристик, присущих настоящим монокристаллам.
