Novodobá historie tvorby umělých drahokamů začala v roce 1857, kdy francouzský chemik Marc Gaudin fúzí dvou solí – kamence (síranu draselného a hlinitého) a chromanu draselného získal krystaly rubínu o hmotnosti asi 1 karát.
Syntetické klenotnické kameny zahrnují uměle vyrobené mono- nebo polykrystalické a amorfní chemické sloučeniny. Mezi syntetickými šperkovými materiály lze rozlišit dvě skupiny. Do první skupiny patří kameny, které jsou strukturními a chemickými obdobami přírodních krystalů, liší se však složením a obsahem mikronečistot. Patří mezi ně například diamant, rubín, safír, smaragd, ametyst, alexandrit. A do druhé skupiny patří kameny získané v laboratorních podmínkách, které však nemají v přírodě obdoby, například kubický oxid zirkoničitý, yttrium-hlinitý granát (YAG), gallium-gadolinium granát (GGG).
Metody syntézy drahých kamenů
V současné době se pro syntézu drahých kamenů a růst šperkových krystalů používají různé metody, z nichž hlavní jsou skupiny taveniny (Verneuil, Czochralski, zónové a lebkové metody tavení) a metody roztokové taveniny (metody toku, hydrotermální syntéza a syntéza šperkařských diamantů při vysokých tlacích), stejně jako některé další.
Verneuilova metoda. V roce 1896 francouzský vědec Auguste Verneuil zkonstruoval speciální pec s vodíkovo-kyslíkovým hořákem pro syntézu rubínů a začala éra průmyslové výroby syntetických šperkových kamenů.
Syntéza drahých kamenů se provádí z taveniny získané tavením vsázky (v případě syntézy rubínu je vsázka směsí oxidů hliníku a chromu). Pec je navržena tak, že vsázka padá po malých částech dolů v proudu kyslíku a vstupuje do spalovací komory, kde je přiváděn vodík a kde je umístěn hořák. Zde se náboj roztaví a vzniklá kapka dopadne na keramický substrát, na kterém se nejprve vytvoří kužel, který se následně změní ve válec – monokrystal. Výsledný krystal se nazývá koule (viz foto 1), jejíž velikost je obvykle 5-10 cm na délku s průměrem cca 2 cm (moderní technologie umožňují získat koule o délce až 60-70 cm) . Získání středně velké koule trvá asi 4 hodiny. Výsledné krystaly mají silné vnitřní pnutí a často se dělí na několik částí.
Foto 1. Vícebarevné kubické zirkonie (suroviny) a koule syntetického rubínu (níže) (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů)
Verneuilovou metodou bylo dosud vypěstováno více než sto různých druhů krystalů. Největší průmyslový význam má však zpravidla při pěstování rubínu, safíru a dalších barevných odrůd korundu včetně hvězdicových kamenů a také spinelu (viz foto 2).
Foto 2. Fasetované syntetické rubíny a safíry (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů).
Czochralského metoda. Tato metoda umožňuje získat krystaly velmi vysoké kvality. Výchozí materiál (směs oxidů vhodného složení) se taví v kelímku ze žáruvzdorného kovu (například z platiny nebo iridia), který se zahřívá spirálovým ohřívačem navinutým přímo na kelímku. Krystalizace začíná na zárodku dotýkajícím se povrchu taveniny, které se postupně otáčí a zvedá (vytahuje) z taveniny (rychlostí 5-30 mm/hod). Výsledné krystaly jsou tyčinky o průměru 2,5-6 cm a délce 20-25 cm.Krystaly pěstované touto metodou zahrnují rubíny, safíry, YAG, GGG a další syntetické granáty a také alexandrit.
Czochralského metoda produkuje krystaly, které jsou vynikajícím šperkařským materiálem, protože jsou mnohem jednotnější než krystaly pěstované Verneuilovou metodou.
Metoda tavení lebky. Metoda zahrnuje tavení a krystalizaci látky v jejím vlastním studeném „plášťu“ a používá se pro pěstování žáruvzdorných krystalů (kubický zirkonie, korund, YAG a některé další). K roztavení látky se používá vysokofrekvenční ohřev. Po zahřátí se tavenina několik hodin udržuje (pro zajištění odstranění nečistot a zajištění homogenity média), poté se pomalu ochladí, v důsledku čehož vykrystalizují sloupcové krystaly (viz foto 1).
Metoda zónového tavení. Podstata metody je následující: počáteční vsázka, což je směs předem kalcinovaných oxidů hlavních výchozích složek s nečistotami, a osivo se umístí do molybdenové lodičky, která se pak pomalu táhne podél ohřívače. Při pohybu člunu se v náloži objevuje dosti úzká roztavená zóna, která dalším pohybem člunu tuhne a tvoří monokrystal. Šířka výsledného krystalu je 8 cm, výška 2 cm, délka 18 cm, doba růstu 4 dny. Mezi vnitřními defekty narostlých krystalů je pozorována blokovitost a praskání.
Tento způsob syntézy drahých kamenů je technicky jednoduchý, umožňuje růst monokrystalů ve formě destiček a úspěšně se používá k získávání velkých monokrystalů korundu různých barev, YAG a dalších syntetických granátů.
Způsob syntézy z roztoku v tavenině a hydrotermální syntéza. Při pěstování syntetických šperkařských kamenů se hojně využívají metody krystalizace z roztoku v tavenině (metoda toku) a z hydrotermálních roztoků.
Pěstování krystalů metodou toku se používá především k získání žáruvzdorných látek, jejichž krystalizace z taveniny při prudkém ochlazení není možná. Jako rozpouštědla (tavidlo) slouží taveniny oxidů s nízkou teplotou tání (olovo, molybden, bor aj.) nebo solí (KF, PbF2, CaCl2 aj.). Proces syntézy probíhá v platinových, iridiových nebo grafitových kelímcích umístěných ve speciálních pecích. Ke krystalizaci dochází buď v důsledku postupného ochlazování taveniny, nebo za podmínek vypařování taveniny, nebo metodou rozdílu teplot. Tato metoda umožňuje získat krystaly smaragdu, korundu a alexandritu o velikosti několika centimetrů (viz foto 3).
Foto 3. Smaragdy pěstované hydrotermální metodou a metodou tavení v roztoku: suroviny a broušené kameny (sbírka Státního centra Moskevské státní univerzity, foto autorů).
Metoda hydrotermální syntézy je perspektivní zejména pro pěstování šperkařských krystalů. Růst krystalů se provádí v uzavřených vysokotlakých nádobách (autoklávech), které umožňují proces syntézy provádět při teplotách 250-600˚C a tlacích desítek a několika stovek megapascalů. Při této metodě se jako rozpouštědlo používá voda, jejíž rozpouštěcí schopnost prudce roste při vysokých teplotách a tlacích poskytovaných v autoklávu. K růstu krystalů dochází na semenech v důsledku teplotního rozdílu.
Metoda hydrotermální syntézy je široce používána pro pěstování křemene různých barev (viz foto 4) a smaragdů. Hydrotermální krystaly křemene dosahují hmotnosti několika kilogramů, velikost smaragdů je až 10 cm.V poslední době se metoda začíná používat pro syntézu rubínů.
Foto 4. Krystaly křemene různých barev pěstované hydrotermální metodou (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto autorů).
Metoda syntézy klenotnických diamantů při vysokých tlacích.
V únoru 1955 se objevila zpráva o prvním úspěšném pokusu o syntézu diamantů, uskutečněném ve výzkumné laboratoři americké společnosti General Electric. A na začátku roku 1970 byly ve stejné laboratoři získány diamantové krystaly v kvalitě drahokamů různých barev o hmotnosti až 1 karát. V současnosti se syntetické diamanty vyrábějí nejen v USA, ale také ve Švédsku, Jižní Africe, Japonsku a Rusku.
Hlavní průmyslovou metodou syntézy diamantů je syntéza kov-uhlík roztavená v roztoku při vysokých tlacích (teplota 1400-1600˚C, tlak 5000-6000 MPa). Výchozí náplní je obvykle grafit (i když jsou možné i jiné látky obsahující uhlík) a kovy nebo slitiny železa, niklu, kobaltu, platiny a palladia. Pro vytvoření potřebných termobarických parametrů se používají výkonné hydraulické lisy vybavené vysokotlakými komorami.
V současné době došlo k velkému pokroku v oblasti syntézy diamantů, syntetizují se barevné i bezbarvé diamanty velmi rozdílných velikostí (viz foto 5, 6).
Foto 5. Syntetický diamant vyrobený v Rusku (sbírka Státního centra Moskevské státní univerzity, foto D. Ermolaev)
Foto 6. Broušený syntetický diamant vyrobený v Rusku (sbírka Moskevského státního univerzitního centra, foto D. Ermolaev)
Kromě popsaných způsobů syntézy pro výrobu monokrystalů šperkových kamenů existují způsoby pěstování polykrystalických agregátů – tyrkys, malachit a také způsoby pěstování ušlechtilého opálu. Ve většině případů je způsob syntézy drahých kamenů těchto a některých dalších šperkařských materiálů obchodním tajemstvím jejich výrobce.
Na trhu tak v dnešní době často najdete šperky, které jako vložky používají syntetické kameny. Vzhledem k tomu, že technologie výroby syntetických materiálů se neustále zdokonaluje, lze v budoucnu očekávat, že se bude jejich množství zvyšovat, bude se zlepšovat i jejich kvalita a podobnost s přírodními kameny.
