Sentetik Taşlar: Bir Giriş

Binlerce yıldır cam üretiliyor. Eski Mısırlılar cam yapımını büyük bir sanat olarak görüyorlardı ve müzelerde camdan yapılmış mücevherler görülebiliyor. Bugün bile cam, yakut, zümrüt, ametist ve topaz gibi renkli taşlar için yaygın olarak kullanılan bir alternatiftir ve bazen etkili ve çekici olabilir. Cam taşlar genellikle metalik folyo ile kaplanır. Folyo ışığı yansıtır ve sadece camın sağlayabileceğinden çok daha fazla parlaklık yaratır. Ancak cam, birçok doğal taşın sertliğine ve dağılımına sahip değildir ve insanlık uzun zamandır daha iyi taş ikameleri aramıştır.

Geçen yüzyıl boyunca, ana taşların her biri laboratuvarda taklit edildi. İlk ortaya çıkanlar yakut ve safir, ardından ametist, topaz, zümrüt, elmas, turmalin, granat ve spinel oldu. Bu "sentetik taşlar" homo-yaratıklar* olup, bu nedenle optik ve kimyasal olarak doğal karşılıkları ile aynıdır. Sentetik taşların uzun listesi şimdi akuamarin, altın ve kırmızı beril, turmalin, granat, opal, turkuaz ve daha birçok taşı içermektedir.

Son yıllarda yarı iletkenler ve lazerler alanındaki teknolojik gelişmeler, yararlı optik veya elektronik özelliklere sahip yeni ve özel kristallerin geliştirilmesini gerektirdi. Bazıları parlak renklidir veya mücevherlerde kullanılmak için uygun diğer özelliklere sahiptir. Bu yeni sentetik taşların doğal karşılıkları yoktur. Bunlar, taş dünyasını yeni ve benzersiz yönlere taşıyan laboratuvar yaratımlarıdır.

Doğal taşları taklit eden malzemelerin bile gözün tek başına fark edemeyeceği kadar iyi olduğunu unutmamak önemlidir. Güvenli bir genelleme, birkaç istisna dışında, bir taşın otantikliğinin ve kökeninin çıplak gözle belirlenemeyeceğidir. Renk uygun bir kriter değildir, çünkü neredeyse her renk doğru kimyasal kombinasyonu ile taklit edilebilir. Sentetik taşlar doğal taşlara o kadar benzeyebilir ki, hatta taş bilimciler bile bazen aldanabilir. Üreticiler, ürünlerine doğal görünümlü kapanımlar ve kusurlar eklemeye bile çalışabilirler. "Taş" malzemelerin üretimi büyük bir iş haline geldi ve üretim teknikleri ince bir sanat haline geldi. Sentetiklerin tespiti devam eden bir zorluktur ve yalnızca profesyonel bir taş bilimciye veya taş laboratuvarına emanet edilmelidir. Doğru tanımlama, genellikle tipik bir mücevher dükkanının erişiminin ötesinde pahalı ve sofistike bilimsel ekipman gerektirir. Güneşli bir pencereye karşı bakarak bir taşı "doğrulayan" kuyumcu, genellikle hem kendisini hem de müşterisini kandırıyor.

Sentetik taşlarda hiçbir şey yanlış değil. En iyi taşların renklerini ve parlaklığını, taş seven pazarın geniş bir kısmına uygun hale getiriyorlar. Ancak sentetik veya işlenmiş bir malzemenin doğal bir taş olarak satıldığı zaman sorunlar ortaya çıkar. Örneğin, en iyi renkte ve şeffaflıkta beş karatlık bir yakut karat başına 100.000 dolar veya daha fazla olabilir. Gözle doğal taştan ayırt edilemeyen, aynı renkte ve berraklıkta bir sentetik yakut birkaç yüz dolara veya daha azına satılabilir. Doğal taş, nadirliği nedeniyle muazzam bir değere sahiptir. Ancak sadece zengin rengi ve parlaklığı nedeniyle kişisel süs için yakut isteyen bir kişi için, sentetik mükemmel olabilir ve düşük maliyeti ve "asil olmayan" kökeni nedeniyle küçümsenmemelidir.

Sentetik taşlar, doğal taşların aksine, laboratuvarlarda özel yöntemler kullanılarak üretilmektedir. Bu yöntemlerden bazıları şunlardır:

Buhar Büyütme

Buhar büyüme yöntemi, ısıtıldığında doğrudan buhara dönüşen veya bileşenleri buhar formunda kolayca taşınabilen maddeler için uygundur. Katıdan buhara kolayca geçen maddelerin uçucu olduğu söylenir. Buhar taşıma tekniklerinde, istenen madde (genellikle yüksek sıcaklıkta) başka bir maddeyle reaksiyona girer ve reaksiyon ürünleri orijinal maddelerden daha uçucu olur. Bu yeni oluşan ürünler, genellikle daha düşük bir sıcaklıkta yeni bir konuma taşınır ve başlangıç ​​maddelerini yeniden oluşturmak için ters yönde reaksiyona girerler. Prosedür dikkatlice yapılırsa, reaksiyon tek kristaller verir. Buharla yetiştirilen kristaller tipik olarak uzun iğneler veya ince plakalardır; bazı durumlarda kristal büyüme, dendritler (örneğin kar taneleri) olarak bilinen dantel benzeri kümeler oluşturur.

CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme)

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD), yüzeylere ince kaplamalar uygulamak için on yıllarca kullanılan bir tekniktir. En bilineni, kamera ve dürbün lenslerindeki mavi kaplama. Tek önemli taş bilimsel uygulaması elmas yetiştirmektir (daha sonra ele alınacaktır).

Eriyik Büyütme

Çoğu doğal kristal, Dünya'nın derinliklerinde erimiş ortamlarda oluşmuştur. Bir kayadaki kristallerin (tanelerin) boyutları ve tanelerin bir araya gelme şekli jeologlar için anlamlıdır ve kayanın soğuma geçmişi hakkında çok şey anlatır. Olivin, feldispat ve diğerleri dahil olmak üzere taşlar, bu tür magmatik malzemelerde bulunan daha büyük kristallerden kesilir.

Eriyik büyüme için genel terim katılaşmadır. Herkes eriyikten kristal yetiştirir. Sonuçta su, sadece 0°C'de donan (katılaşan) kristal bir katı olan erimiş buzdan başka bir şey değildir. Kar taneleri, dendrit olmalarına rağmen, buzun tek kristalleridir. Ancak buzdolabınızdaki buz küpleri değildir. Bir eriyikten kontrolsüz donma genellikle, mevcut alanı doldurmak için aynı genel hızda büyüyen birçok küçük kristalit oluşumuna yol açar. Bu nedenle bir buz küpü, sayısız iç içe geçmiş kristalden oluşan çok kristal bir kümedir. Erimiş metallerin dökülmüş külçeleri de aynı şekilde kristalleşir.

Eriyikten büyüme çok kullanışlıdır ve birçok durumda nispeten basit ekipman gerektirir. Bununla birlikte, bu yöntem, su veya uçucu bileşenler içeren malzemelerin yetiştirilmesi için uygun değildir; bu tür malzemeler erime noktalarında ayrışır. Teknik dilde, "uyumlu olarak eriyen" bir malzeme, katı ve sıvı durum arasındaki sınırda bileşimini değiştirmeyen ve bu nedenle aşağıdaki yöntemlerden biriyle yetiştirilebilen bir malzemedir.

Verneuil Tekniği

Verneuil tekniği veya alev kaynaştırma, 1800'lerin sonlarında taş sentezinin büyük öncülerinden biri olan August Verneuil tarafından geliştirilmiştir. Verneuil, 1891 ve 1892'de Paris Bilimler Akademisi'ne mühürlü belgeler bırakmıştı. 1910'da açıldığında, bu belgeler Verneuil'in yakut sentezi üzerine çalışmalarının ayrıntılarını ortaya koydu ve büyük ölçekli üretime kapı açtı. Verneuil tarafından ayrıntılı olarak belirtilen ekipman o kadar akıllıca tasarlanmıştı ki, modern fabrikalar hala temelde orijinal ile aynı özelliklere sahip fırınları kullanıyor. Belki de birkaç yüz malzeme Verneuil yöntemi ile yetiştirilmiştir ve bu, tüm kristal büyüme teknikleri arasında en az maliyetli olanlardan biridir. Verneuil kristalleri rutin olarak karat başına sadece birkaç kuruşa satılır ve hobi olarak yapanlar ve taş kesiciler için kolayca bulunur.

Bir Verneuil fırınının temel özelliği oksi-hidrojen veya oksi-asetilen brülörüdür. Yetiştirilecek maddenin tozu bu alevden damlatılır ve erimiş damlalar dönen bir çubuğun üzerine düşer, bu çubuk yavaşça çekilir. Çekme hızı dikkatlice ayarlanır, böylece çubuğun üzerine "yağan" erimiş damlalar kontrollü bir şekilde katılaşır ve tek bir kristal oluşturur. Bitmiş kristalin saflığı, başlangıç ​​tozunun ve kristalin yetiştirildiği atmosferin bir fonksiyonudur. Verneuil kristalin veya boule'nin (Fransızca top) kalitesi, besleme tozunun saflığına ve parçacık boyutuna, alev sıcaklığına, tohum çubuğunun dönme ve çekme hızına ve kristalin cereyanlardan korunma yeteneğine bağlıdır. Kristal üretiminde Verneuil yönteminin popülaritesi, 1920'lerde Avrupa'daki fabrikaların yıllık olarak yüz milyonlarca karat Verneuil kristali ürettiği gerçeğiyle gösterilmektedir. Bu şekilde ticari olarak üretilen taş malzemeler arasında safir, yakut, yıldız korindon, spinel, rutil, stronsiyum titanat ve çok çeşitli oksitler ve diğer bileşikler bulunur. NOT: büyük annenizden miras kalan bir yüzükteki yakut, 100 yıldan fazla olduğu için doğal olmak zorunda değil!

Czochralski Tekniği

Czochralski tekniği veya "kristal çekme" ilk olarak metallerin kristalleşme hızını ölçmek için geliştirilmiştir. Şimdi taş kristal büyümesinde Verneuil yöntemi kadar önemlidir. Teknik, genellikle platin, iridyum, grafit veya seramik bir kabın içinde başlangıç ​​tozunun erimesini içerir. Ucunda küçük bir tohum kristali olan dönen bir çubuk, kaba değene kadar indirilir ve ardından yavaşça çekilir. Eriyik ile tohum arasındaki ara yüzeyde kristalleşme iki şekilde gerçekleşir: 1. Yüzey gerilimi, eriyikten birazını tohum üzerine çeker. Bu malzeme eriyikten çıktığında, katılaşmak için yeterince soğur ve tohum kristalini oluşturur. 2. Isı iletimi, katının eriyik içine çok az uzamasını sağlar ve büyüyen kristali daha büyük hale getirmek için yeterli malzeme çekilmesini sağlar. Kristal büyümesi, kabın tüm içeriği çekilip çubuğa eklenene kadar bu şekilde devam eder.

Çekme hızı normalde saatte 1 mm ila 10 cm arasındadır. Czochralski kristalleri devasa olabilir - beyzbol sopası büyüklüğünde! Saf silikon gibi bir dizi teknolojik olarak hayati önem taşıyan kristal, yakut, safir, YAG, GGG, turmalin ve çok çeşitli sıra dışı oksitler gibi birçok taş olarak kesilen malzemelerin yanı sıra çekilerek yetiştirilir.

Bridgman-Stockbarger Yöntemi

Bridgman-Stockbarger yöntemi, 1924-1936 yılları arasında R. W. Bridgman (Amerikan), D. C. Stockbarger (Alman) ve Ruslar J. Obreimov, G. Tammann ve L. Shubnikov tarafından yaklaşık aynı dönemde geliştirilmiştir. Genellikle bir ucunda küçük bir noktaya doğru daralan silindirik bir tüp olan özel şekilli bir kap kullanılır. Tüp, istenen kristal malzemenin tozu ile doldurulur ve bir ısıtıcının içinden (radyo frekansı veya elektrik direnci türleri en yaygındır) aşağıya doğru, sivri uçlu tarafı aşağı bakacak şekilde indirilir. Tüp içindeki malzeme erir, ancak küçük konik uç, kabın ısıtıcının dışına çıkan ilk kısmıdır. İdeal koşullarda (elde edilmesi o kadar da zor değil) katılaşacak ilk erimiş malzeme, çok kristal bir küme yerine tek bir kristal oluşturur. Daha fazla katılaşma, bu indüklenen tohum kristalinin sağladığı desenin bir uzantısı olarak devam eder, ta ki tüm silindir donana ve kap tek bir kristal ile dolana kadar.

Bu tekniğin birçok varyasyonu vardır, bazıları yüksek saflıkta metallerin yetiştirilmesi gibi özel uygulamalara uyarlanmıştır. Yöntem kavram olarak son derece basittir ve gerçekten devasa kristaller yetiştirmek için kullanılabilir, bugüne kadarki en büyükleri üç metreden fazla genişliğinde ve bir tondan fazla ağırlığındadır (sodyum iyodür, sezyum iyodür ve diğerleri). Genellikle halojenürlerin, birçok sülfürün ve çeşitli oksitlerin yetiştirilmesinde kullanılır.

Malzemeler o kadar reaktiftir ki platin ve iridyum gibi reaktif olmayan kaplarda bile eriyemezler veya yetiştirilecek malzemenin erime noktası mevcut kap malzemelerinin erime noktasını aşarsa bir sorun ortaya çıkar. İkincisi, 2750°C'de (4982°F) inanılmaz derecede yüksek bir sıcaklıkta eriyen kübik zirkonya oksit (CZ) için geçerlidir. CZ'nin tek kristal büyümesi, 1970'lere kadar SSCB'deki bir araştırma grubu "kafatası eritme" adı verilen bir tekniği (daha önce biliniyordu) mükemmelleştirinceye kadar yönetilemedi. "Kafatası", toz zirkonya oksit ile doldurulmuş ve toz eriyene kadar ısıtılmış, bakır silindirlerden yapılmış açık uçlu bir kaptır. Silindirler içi boş ve su soğutmalıdır, böylece erimiş zirkonya bakır duvarların hemen içinde oluşan 1 mm kalınlığında katı zirkonya oksit bir kabuğunda etkili bir şekilde bulunur. Tüm düzenek daha sonra, tüm kütle katılaşana kadar yavaşça soğumaya bırakılır. Tipik bir kafatası yaklaşık bir kilogram malzeme içerir ve bunun yarısı kesilebilir CZ olarak ortaya çıkar. Zirkonya oksit, bu yöntemle yetiştirilen tek önemli taş malzemesidir ve çok çeşitli renklerde ve birçok farklı yerde yapılır. Küresel CZ üretimi karat değil ton olarak rapor edilir!

Çözelti Büyütme

Çözeltiler belki de en tanıdık kristal büyüme ortamlarıdır. Hatta bir fincan hazır kahve yapma eylemi bile çözünürlük konusunda bir çalışmadır. Sahilde yüzerken, bir süre sonra aldığınız kaygan ve genellikle rahatsız edici his, buharlaşan deniz suyunun cildinizde ince bir sodyum klorür ve diğer tuz kabuğu bırakması nedeniyle oluşur. Hatta büyüteçle kristal şekillerini (sodyum klorür durumunda küpler) görebilirsiniz.

Çözelti büyümesinin, çözünmüş bileşenlerin yüksek hareketliliği, kolaylık ve kontrol kolaylığı dahil olmak üzere önemli avantajları vardır. Çözelti büyümesi için aparat, bir su tenceresi ve birkaç mason kavanozu kadar basit ve ucuz olabilir; ancak çoğu taş, çok daha karmaşık ve pahalı bir aparat gerektirir!

Kaynar suda beş pounda kadar şeker çözülebilse de (sincap yemi yaparsanız bunu öğreneceksiniz), bu kadar yüksek çözünürlükler oksitler ve silikatlar arasında bulunamaz. Ayrıca saf su birçok bileşik için mükemmel bir çözücü olmasına rağmen, taş bilimsel ilgi çeken malzemelerin çözünürlükleri o kadar düşüktür ki, pratik amaçlar için çözünmez olarak kabul edilebilirler. Bununla birlikte, doğal ortamlar durumunda olduğu gibi, sıcak suya biraz mineralleştirici (örneğin sodyum hidroksit) çözülmesi, kuvars, beril vb. gibi silikatların çözünme kapasitesini önemli ölçüde artırır. Ayrıca suyu hem yüksek basınç hem de yüksek sıcaklık altında koymak çok daha etkilidir. Hidrotermal büyüme olarak adlandırılan bu koşullar altında, birçok mineral kristal laboratuvarda çoğaltılabilir. Dahası, bunlar yer altında etkili olan aynı tür koşullar olduğundan, elde edilen kristaller genellikle cevher yataklarında bulunanlara çarpıcı bir şekilde benziyor.

Ancak temel bir fark boyuttur. Doğa, kap duvarlarının korozyonu, basınç çok yüksek olursa büyüme kaplarının yırtılması veya hatta büyüme çözeltilerinin tam kimyası (veya saflığı) konusunda nispeten kaygısızdır. Doğa, cezasız olarak çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlar üretir. Sonuç gerçekten muhteşem olabilir: 40 fit uzunluğunda spodümen kristalleri, demiryolu vagonu büyüklüğünde feldispatlar ve insan büyüklüğünde kuvars kristalleri. Bugüne kadar laboratuvarlarda yetiştirilen en büyük hidrotermal (kuvars) kristalleri birkaç yüz pounddan az ağırlığındadır. Şeker kristallerinin (kaya şekeri) ve diğer tuzların büyümesi, basit kaplarda oda sıcaklığında ve basınçta elde edilebilir. Silikatlar bu şekilde yetiştirilemez. Bununla birlikte, bu maddeler, besleme malzemesi, su, mineralleştiriciler ve tohum kristalleri ile doldurulan ve otoklav adı verilen kapalı bir ünitenin içine yerleştirilen bombalar adı verilen çelik silindirlerde kristalleştirilebilir.

Hidrotermal büyüme aparatı bir basınçlı tenceredir. Bomba cihazın içinde ısıtılır ve kapalı olduğundan, içindeki su silindiri doldurmak için genişlediğinde, sıcaklık arttıkça basınç yükselir. Belirli bir basınç seviyesine ulaşmak için, bomba eklenen su dikkatlice izlenir ve tam olarak ölçülür. Beklendiği gibi, burada yapılan hatalar utanç verici olabilir!

Hidrotermal sentez, kuvars dışında, teknolojik uygulamalar için çok önemli değildir. Bununla birlikte, birçok doğal malzemenin Dünya'nın içinde hidrotermal olarak oluşması nedeniyle, sentetik taşlar için büyük önem taşımaktadır. Bu şekilde rutin olarak üretilen taşlar arasında zümrüt, ametist ve sitrin bulunur. Hidrotermal büyüme, özellikle su veya diğer uçucu bileşenler içeren ve bu nedenle erime sırasında ayrışan malzemeler için uygundur.

Akı Büyütme

Su erimiş buzdur ve hepimizin bildiği birçok madde için etkili bir çözücüdür. Ancak çoğu oksit, silikat ve diğer sert malzemeleri çözmek için yeterince güçlü bir çözücü değildir. Buz, 0°C'de eriyen kristal bir katıdır. Diğer kristal katılar birkaç yüz derece kadar düşük sıcaklıklarda eritilebilir. Su (erimiş buz) iyi bir çözücü ise, diğer erimiş maddelerin çözüm yetenekleri ne olacak? Görünüşe göre, boraks, lityum oksit ve molibden oksit, potasyum florür, kurşun oksit ve florür ve diğer karışımlar dahil olmak üzere bir dizi bileşik eridiğinde güçlü çözücülerdir; aslında bazı kristal yetiştiricileri, her kristal için erimiş tuz çözücüsü bulmanın teorik olarak mümkün olması gerektiğine inanıyor. En eski taş kristalleri, [Edmund] Fremy tarafından yapılan yakutlar, korindonun erimiş tuz çözeltilerinden yetiştirilmiştir. Bu şekilde çok çeşitli bileşikler, bunların çoğu taş bilimsel ilgi çekici olmak üzere, aleksandrit ve zümrüt dahil olmak üzere yetiştirilebilir.*

*Donald Clark'tan Bir Not: Dr. Arem'in "Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak" adlı makalesi harika bir eser. Dr. Arem'e çok saygı duyuyorum. Onun çalışması, türünün en iyi referansıdır. Bir zamanlar bana zorlu bir tanımlama konusunda yardımcı olmuştu. Ondan kişisel bir mektup beklemiyordum ve bana yardım etmek için çaba göstereceğine memnun oldum. Bu, var olmadan önce oldu. Ancak, "sentetik" ve "homo-yaratık" kelimelerini sektör standartlarımızla tutarlı olmayan bir şekilde tanımladığının farkında olmalısınız. Makalemde, "sentetik"i "doğal karşılıklarını taklit eden malzemeler" ve "homo-yaratık"ı "doğada karşılığı olmayan malzemeler" olarak tanımlıyorum, Gemological Institute of America (GIA) ile uyumlu olarak.

Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak, Bölüm 1: Giriş

Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak, Bölüm 2: Kristal Büyütme

Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak, Bölüm 3: Sentetik Elmas

Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak, Bölüm 4: Sentetik Taş Rehberi

Sentetik Taşlar, İşlemler ve Taklitleri Anlamak, Bölüm 5: Taş İşlemlerini Tanımlama

Sayısız kuruluşun Kurucu Ortağı ve Başkanı olan Dr. Arem, mineraloji ve taş bilimi alanında ömür boyu süren bir kariyere sahip olmuştur. Smithsonian bilim adamı ve küratörü, birçok ünlü şirket ve kuruluşa danışmanlık yapmış ve üretken bir yazar ve konuşmacı olmuştur. Asıl faaliyetleri taş kesme ve satıcılık olmasına rağmen, odak noktası her zaman eğitim olmuştur.