سنگ های مصنوعی چیست؟

مقدمه

سنگهای جواهر در تمامی دوران تاریخ مورد توجه اقشار مختلف مردم بوده و در داستانها و کتب گنجینه ها را صندوقچه هایی پر از طلا و جواهرات معرفی می کنند. این مطلب نشان دهنده ارزش مادی و معنوی سنگهای جواهر می باشد و یکی از دغدغه های مصرف کنندگان جواهر از دیرباز تاکنون تشخیص انواع سنگهای جواهر از یکدیگر و مشخص کردن طبیعی و مصنوعی آن است.

قبل از شروع این مقاله لازم است که با برخی از تعاریف و واژگان این مبحث آشنا شویم.

1- Natural GEM (Mineral یا کانی) ماده ای است طبیعی، همگن، جامد دارای ساختار درونی مشخص و فرمول شیمیایی تقریباً ثابت که بدون دخالت دست بشر بوجود می آید.

2- Synthetic GEM یا سنگهای جواهر مصنوعی:

جواهراتی هستند که در آزمایشگاه توسط انسان تولید می شوند و از لحاظ فرمول شیمیایی و خواص فیزیکی، نوری و ساختار درونی دقیقاً مشابه یک سنگ طبیعی دیگر می باشند (به جز رنگ) مانند یاقوت مصنوعی که تمامی مشخصات آن دقیقاً مشابه یک یاقوت طبیعی است و(Blue Quartz) کوارتز آبی که رنگ آن در نمونه های طبیعی وجود ندارد ولی تمامی مشخصات دیگر آن با کوارتز مطابقت دارد.

3- Man-made: سنگهای جواهری هستند که در آزمایشگاه تولیدشده و نمونه طبیعی ندارد مانند C.Z و Y.A.G

۴- Simulant یا  Imitation:به سنگهایی می گویند که تنها از نظر ظاهر شبیه به سنگ گران قیمت تر از خود باشندمانند شیشه سبز که Imitation زمرد است.

در ادامه به بررسی تاریخچه سنگهای مصنوعی پرداخته و روشهای تولید و نحوه شناسایی آنها را مورد بررسی قرار می دهیم.

تاریخچه: سابقه تولید و استفاده از سنگهای جواهر مصنوعی مانند سنگهای بهینه سازی شده و (treatment) سنگهای مشابه (Imitation) زیاد قدمت ندارند. اولین سنگ جواهر مصنوعی ثبت شده در تاریخ در سال 1902 در فرانسه تولید شد این سنگ یاقوت بود که توسط آقای ورنیول به ثبت رسید و در سال 1907، 5 میلیون قیراط از این یاقوت مصنوعی تولید شد. بسیاری از مردم جواهراتی از بستگان خود به ارث برده اند که شاید متعلق به 100 سال پیش باشد و زمانی که برای فروش این جواهرات به جواهرفروشیها مراجعه می کنند و متخصص جواهرات به آنها می گوید که جواهر شما مصنوعی بوده و ارزش مادی زیادی ندارد تصور می کنند که جواهرفروش قصد گمراه کردن آنها را دارد لازم است که بگوییم اولین یاقوت مصنوعی نزدیک به 110 سال پیش تولید شده است. البته بسیاری از کارشناسان معتقدند که یاقوت مصنوعی اولین بار در سال 1886 تولید شده است و بصورت کاملاً سری وارد بازار مصرف شده است. پس قدیمی بود یک آویز یا انگشتر نمی تواند دلیل بر طبیعی بودن جواهرات آن باشد.

در سال 1885 میلادی یاقوتهای قرمزی وارد بازار شد که مشخص نبود از کدام معادن استخراج شده است این یاقوتهای دارای رنگ مناسبی بود و اکثراً ناخالصی های کمی داشتند این یاقوتها به قیمت قیراطی 1000 تا 2500 دلار به فروش می رسید. نکته قابل توجه در این بود که این یاقوتها بیش از دیگر نقاط دنیا در شهر ژنو سویس مشاهده می شد و این عامل موجب مشکوک شدن تاجران یاقوت شد چرا که در سویس معدن یاقوتی وجود نداشت. طبق تحقیقات انجام شده در دانشگاه سُوربن پاریس و شرکت تیفانی در نیویورک در بررسی های میکروسکپی ناخالص حباب گاز درون این یاقوتها مشاهده شد که نشاندهنده پروسه تولید سنگهای مصنوعی در دمای بالا بود در پی این تحقیقات سندیکای الماس و سنگهای گرانبهای فرانسه اعلام کرد که یاقوتهای موردنظر مصنوعی می باشد. این خبر موجب شد تا قیمت این یاقوتها تا قیراطی 25 الی 40 دلار سقوط کند.  این یاقوتها به نام یاقوتهای ژنو معروف شد و طبق تحقیقات انجام شده 3 مرحله برای تولید یاقوتهای Flame Fusion (ژنو) معرفی شد.

1- در مرحله اول ماده ای به نام آلومینا که نوعی ماده معدنی حاوی آلومینیوم است را با نمک کرم مخلوط می کنند و درون ظرفی نیم کره ای قرار می دهند.

2- در این مرحله ظرف حاوی مواد فوق را درون کوره قرار می دهند و زمانی که پودر فوق ذوب شد به اندازه فضای خالی ظرف به آن مخلوط آلومینا و نمک کرم می افزایند.

3- در مرحله آخر برای افزایش حرارت موردنیاز این پروسه از دو شعله اکسیژن و هیدروژن استفاده می شود این روش به مرور زمان دچار تغییراتی شد.

یکی از افرادی که در سال 1886 تحقیقاتی بر روی یاقوتهای ژنو انجام داد کانی شناس فرانسوی P.M.E jannerratz بود که در موزه تاریخ طبیعی فرانسه مشغول به کار بود او به این نتیجه رسید که این یاقوتها مصنوعی است و نتیجه تحقیقاتش را با همکار خود verneuil در میان گذاشت. verneuil به تحقیقات در این زمینه پرداخت او در سال 1892 به عنوان پرفسورای شیمی کاربردی در موزه تاریخ طبیعی پاریس دست یافت. تحقیقات او بر روی یاقوتهای ژنو بالاخره به نتیجه رسید و او در سال 1902 اعلام کرد که موفق به تولید یاقوت مصنوعی شده است و جزئیات کار خود و روش تولید این یاقوت را در سال 1904 به طور کامل منتشر کرد.

تولید انبوه یاقوت مصنوعی از 1904 شروع و در 1920 به حجم بسیار بالایی رسید ولی اوج تولید یاقوت مصنوعی در سال 1980 بود.

در سالهای جنگ جهانی دوم چون اکثر معادن سنگهای جواهر در اروپا قرار داشت جواهرات طبیعی در بازار آمریکا نایاب شد و این امر زمینه تولید و تجارت سنگهای مصنوعی را در امریکا فراهم کرد این تجارت تا آنجا پیشرفت که قیمت سنگهای مصنوعی از طبیعی بیشتر شد و این برتری تا چند سال بعد از جنگ جهانی نیز ادامه داشت.

در دهه های آخر قرن بیستم گرایش به مصرف سنگهای جواهر مصنوعی بیشتر شد و علت آن استفاده طراحان معروف برندهای مطرح جواهر دنیا از سنگهای مصنوعی و طبیعی در کنار یکدیگر بود.

چرا سنگهای مصنوعی تولید می شوند؟

تنها استفاده سنگهای جواهر مصنوعی در بازار جواهرات نمی باشد، بلکه فیزیکدانان  و شیمیدانان حجم انبوهی از سنگهای جواهر را برای مصرف در صنایع و اهداف تحقیقاتی تولید می کنند. بیش از 90% از الماسهای مصنوعی تولیدشده در دنیا در صنایع ساینده ها تیغ اره ها و مته های الماسه مصرف می شود. کوارتز مصنوعی در تولید بیسیم و ساعتهای کوارتز مورد استفاده قرار می گیرد و یا قوتهای مصنوعی جهت تولید لیزرها مورد استفاده قرار می گیردوبه عنوان شیشه های ضد خش در ساعتهای نفیس استفاده می شود مصرف دیگر آن به عنوان دریچه های مادون قرمز در دستگاههای کنترل از راه دور توسط مادون قرمز و از همه مهم تر به عنوان پوشش نوک موشکهای کنترل از راه دور مادون قرمز به کار می رود.علت به کار رفتن آن در نوک موشک این است که نیاز است نوک موشک شفاف باشد تا اشعه مادون قرمز را از خود عبور دهد تا قابل هدایت باشد و نسبت به حرارت شدید مقاوم بوده  همچنین در برابر نفوذ قطرات باران مفاومت کند تا سیستم کنترل موشک دچار

اختلال نشود زیرا این مشکل بسیار مرگ بار است.برای این منظور باید یاقوتهای بی رنگ نیم کروی تولید شود تا در نوک موشک استفاده شود به این قطعه کلاهک یا DOME می گویند.

برای تولیدE DOM یا کلاهک می توان یاقوت تخت بزرگ وقطوری را مانند شکل تولید کرد و آن را به صورت نیم کره تراشید که  محصول تولید شده با این روش بسیار گران است به همین

علت در روشی جدید یاقوت را در محفظه ای نیم کره رشد می دهند در این روش هسته ای از جنس یاقوت در انتهای ظرف نیم کروی قرارمی دهند تا پودر اکسید آلومینیوم را پس از ذوب به خود جذب نماید و یاقوت اطراف هسته کریستال گذاری کند  سپس یاقوت مصنوعی حاصله را پولیش می دهند.

پروسه های تولید سنگهای مصنوعی

سنگهای مصنوعی چه در طبیعت و چه در آزمایشگاه به 3 روش بوجود می آیند.

1- Melt یا ذوب: در این روش از یک ماده مذاب با گرانروی بالا استفاده می شود در طبیعت کانی هایی که در این روش بوجود می آیند را Magmatic می گویند.

2- Solution یا محلول: در این روش عامل ایجاد سنگ جواهر مایعی است با غلظت بالا که توسط انحلال مواد جامد در آن غلظتش افزایش یافته است. در طبیعت زمین شناسان این روش را Hydrothermal می نامند.

3- Vapor یا بخار: در این روش سیال کانه زا گازی است که درون آن مواد تشکیل دهنده کانی حل شده است.

در ادامه به معرفی پروسه های تولید سنگهای مصنوعی و نوعی دسته بندی آنها می پردازیم.

Melt Processes

. 1- Flame Fusion         2- Czochralski (pulling)   3- Skull melting

Solution Processes    

1- Hydrothermal           2- Flux

Vapor Process          

 1- CVD

Melt Processes (پروسه ذوب): در این روش پودر مواد تشکیل دهنده سنگ جواهر را ذوب کرده و اجازه می دهند تا به آرامی سرد شود و کریستالهای کوچک و بزرگی از آن به دست می آید در ادامه به چگونگی انواع روشهای Melt می پردازیم. لازم به ذکر است که ممکن است سنگهای جواهر از این دست به صورت تک کریستالهای بزرگ یا توده های کریستالی بزرگ مشاهده شوند.

1- Flame Fusion's: برای اولین بار در سال 1902 verneuil موفق شد تا یاقوتهای مصنوعی را توسط این پروسه تولید کند. فرمول شیمیایی یاقوت Al₂o₃ یا اکسید آلومینیوم است و سیستم کریستالی آن Trigonal یا 3 وجهی است. برای تولید یاقوت مصنوعی لازم است که پودر اکسید آلومینیوم را ذوب کرده و اجازه دهیم تا مواد ذوب شده (Al₂o₃) کریستالیزه شوند. اکسید آلومینیوم خالص کاملاً بی رنگ است و یاقوتهای کاملاً خالص در طبیعت بی رنگ است و اگر درصد بسیار ناچیزی کُروم (حدود 2%) به عنوان ناخالصی درون آن وجود داشته باشد رنگ آن قرمز می شود برای تولید یاقوت قرمز یا Ruby لازم است تا درصد ناچیزی کرم به پودر Al₂o₃ افزوده شود.

تولید یاقوت به این روش بسیار راحت است و یاقوتهای مصنوعی تولیدشده به روش Flame Fusion بسیار ارزان قیمت می باشند و سالانه بیش از یک میلیارد قیراط انواع یاقوت و Spinel به کمک این پروسه تولید می شوند.

در این روش پودر اکسید آلومینیوم وارد لوله ای می شود که درون آن شعله اکسیژن و هیدروژن وجود دارد ودمای آن 2200 درجه سانتی گراد است. پودر اکسید آلومینیوم در هنگام عبور از مقابل شعله مستقیم اکسیژن و هیدروژن ذوب شده مواد ذوب شده و درون بوته سرامیکی که در انتهای کوره قرار دارد می ریزد فضای انتهای کوره به گونه ای طراحی شده که اکسید آلومینیوم ذوب شده به آرامی سرد شده و کریستالیزه می شود یاقوت های تولیدشده به این روش پس از سرد شدن ظاهرشان شبیه به هویج یا کله قند بوده که آن را Boule می نامند همانطور که یاقوتها طبیعی تراش نخورده را Rough می نامند، یاقوتهای Flame Fusion تراش نخورده راBoule  می نامند.

لازم به ذکر است که هیچگاه یاقوت در طبیعت به شکل Boule یافت نمی شود. قبل از تراشیدن Boule های یاقوت آنها را از وسط بریده و به 2 قسمت تقسیم می کنند. این کار دلیل خاصی دارد که در ادامه این مطلب به آن می پردازیم.

در پروسه verneuil ظرف مدت 4 ساعت می توان یاقوتی با ابعاد mm20 در mm70 تولید کرد یاقوتهای تولیدشده در این پروسه می توانند مابین 4 تا 500 قیراط وزن داشته باشند. انواع رنگهای یاقوت را می توان در پروسه Flame Fusion تولید کرد و می توان با اضافه کردن اکسید تیتانیوم در پروسه فوق یاقوتهای دارای پدیده star یا ستاره را نیز تولید کرد.

در میان یاقوتهای مصنوعی شناسایی این نوع یاقوت از همه آسان تر است در اکثر این نوع یاقوتها خطوط رشد منحنی دواری مشاهده می شود که آن را curved strie می نامند این خطوط معمولاً در هنگام بررسی این نوع یاقوتها از پهلو مشاهده می شود علت بریدن یاقوتهای verneuil از وسط این است که table این سنگها در جهت برش قرار بگیرد و ناخالصی curved strie واضح دیده نشود. از دیگر مشخصات این یاقوتها وجود ناخالصی color banding منحنی یا curved color banding می باشد که علت بوجود آمدن این ناخالصی ها رشد یاقوتهای Flame Fusion در یک پروسه دوار است. ناخالصی شاخص دیگری که در این یاقوتها مشاهده می شود Gas bubble یا حباب گاز است که در هیچ یاقوت طبیعی مشاهده نمی شود (به جز یاقوتهای طبیعی Fracture Filling)

2- Czochralski "pulling": این روش تولید سنگهای مصنوعی نیازمند علم و تکنولوژی بالا است. با پیشرفت تکنولوژی در زمینه تولید لیزر و ابزار لیزری نیاز به تهیه یاقوت با قطرهای زیاد در صنعت تولید لیزر بیشتر شود این نیاز توسط یاقوتهای تولیدشده به روش pulling  مرتفع شد امروزه بیشتر یاقوتهای مورد مصرف در صنایع از نوع یاقوتهای c zochralski می باشد.

علت این امر این است که این یاقوتها فاقد خطوط رشد درونی بوده و درجه پاکی (clarity) بالاتری نسبت به یاقوتهای تولیدشده در پروسه Flame Fusion است.

از یاقوتهای مصنوعی c zochralski در بازار جواهرات استقبال بیشتری نسبت به یاقوتهای Flame Fusion شد.

برای تولید سنگهای جواهر در پروسه فوق لازم است تا پودر مواد تشکیل دهندۀ آن (برای یاقوت پودر Al­₂o₃) درون بوته ای از جنس پلاتین قرار داده شود و ذوب شود حرارت لازم جهت ذوب پودر توسط امواج مایکرویو (Micro wave) تامین می شود. زمانی که مواد تشکیل دهنده به صورت مذاب در آمد هسته ای از جنس یاقوت مصنوعی یا طبیعی (برای تولید یاقوت) با سطح مواد ذوب شده تماس داده می شود

 و به آرامی شروع به چرخش می کند این عمل باعث می شود که کریستالهای یاقوت در اطراف هسته مرکزی شکل گرفته و شروع به رشد کردن نماید لازم به ذکر است که یاقوتهای تولیدشده در این روش نیز قبل از تراش شکل Boule را خواهند داشت اندازه این Boule ها بسیار بزرگ است.

بعد از بوجود آمدن یاقوت هسته مرکزی را از Boule جدا می کنند.

سنگهای مصنوعی مانند YAG. یاقوت ؛ اکساندرایت و کریزوبریل چشم گربه ای

(cats eye crysoberyl) عمده سنگهای جواهر مصنوعی هستند که در پروسه pulling تولید می شوند. جواهرات تولید شده با این روش گرانقیمت تر از محصولات روش Flame Fusion است.

شناسایی سنگهای جواهر مصنوعی تولیدشده در پروسه pulling دشوارتر از محصولات Flame Fusion است. محصولات روش c zochralski معمولاً فاقد ناخالصی بوده و قطر Boule های تولیدشده در این روش بزرگ بوده و این امر موجب می شود که خطوط رشد منحنی درونی در این سنگها به سختی مشاهده می شود. یکی از ناخالصی هایی که ممکن است درون این نوع سنگهای مصنوعی مشاهده شود کریستالهای مثلث و شش ضلعی شکل پلاتین است که در اثر خوردگی ایجاد شده در بوته های پلاتینی مورد مصرف در این پروسه بوجود می آید.

در شکل فوق خطوط رشد منحنی درونی (curved striue) بسیار ظریف مشاهده که درون یک YAG سبزرنگ مشاهده می شود این ناخالصی ممکن است به راحتی با خطوط رشد درونی صاف اشتباه گرفته شود.

(شکل سمت راست) کریستالهای 3 وجهی یا 3 ضلعی پلاتین در تصویر فوق مشاهده می شود که درون یک اکساندرایت قرار دارد.