Diamenty syntetyczne — jak powstają sztuczne diamenty
Produkcja diamentów syntetycznych trwa już od kilku dziesięcioleci, podobnie zresztą jak wytwarzanie innych imitacji kamieni szlachetnych. W praktyce udaje się jednak najczęściej uzyskać kamienie barwne — od niemal bezbarwnych po żółte czy niebieskoszare — a nie w pełni przezroczyste diamenty w wielu odcieniach fantazyjnych. Prawdziwie bezbarwne diamenty z laboratorium wciąż są rzadkością na rynku jubilerskim, głównie z powodu kosztów — sam proces syntezy jest znacznie droższy niż wydobycie porównywalnego diamentu naturalnego. Mimo wieloletnich prób poprawy barwy uzyskiwanych kamieni, efekty wciąż pozostawiają je szarawe lub brązowawe, a mimo to ich cena bywa zaskakująco wysoka w porównaniu z odpowiednikami naturalnymi.
Diamenty z laboratorium na rynku jubilerskim
To już nie eksperyment, a codzienność branży — diamenty syntetyczne realnie funkcjonują w handlu. Najtrudniej zidentyfikować kamienie najwyższej klasy: bezbarwne, o masie nieprzekraczającej 1,50 karata, w barwie D-E i czystości VVS-VS. Tego typu okazy wciąż kosztują więcej niż naturalne diamenty o identycznych parametrach.
Do produkcji diamentów na potrzeby jubilerstwa stosuje się dwie główne technologie — metodę HPHT (High Pressure High Temperature) oraz metodę CVD (Chemical Vapour Deposition).
Jak działa metoda HPHT
W metodzie HPHT kryształ rośnie w komorze poddanej ekstremalnym warunkom — ciśnieniu rzędu 5-7 GPa oraz temperaturze 1500-2000°C. Opanowanie tej technologii wymagało lat pracy nad wieloma zmiennymi jednocześnie: doborem ciśnienia i temperatury, kontrolą gradientu cieplnego wewnątrz komory, wyborem odpowiedniego katalizatora i rozpuszczalnika, rodzajem materiału wsadowego oraz wielkością kryształów zarodniowych. Równolegle udoskonalano też same prasy HPHT oraz materiały użyte do ich budowy. Cel był zawsze ten sam — jak najszybciej uzyskać większy kryształ, nie tracąc przy tym na jego jakości. Postęp w tej dziedzinie jest ogromny: dawniej kryształ przyrastał o ułamki mikrona dziennie, dziś mówi się już o milimetrach — a granicą pozostaje wciąż nierozwiązany kompromis między tempem wzrostu a czystością powstającego kamienia.
Kryształy rosnące zbyt szybko mają skłonność do licznych skaz — zarówno na powierzchni, jak i wewnątrz — a ich barwa bywa niejednolita, "zamglona", co w praktyce ogranicza maksymalny rozmiar gotowego produktu. Typowa masa diamentów HPHT dostępnych dziś w sprzedaży mieści się między 0,35 a 2,50 karata, a spektrum barw obejmuje zarówno kamienie bezbarwne, jak i całą paletę odcieni spektralnych. Producentów jest wielu, a rywalizują między sobą jakością technologii, unikalną (często opatentowaną) konstrukcją pras oraz oczywiście rozmiarem, jakością i ceną finalnego produktu. Wśród rozpoznawalnych marek warto wymienić:
Adamas BGU z Antolino na Białorusi, Adia Diamonds z amerykańskiego Baatle, Gemesis Cultured Diamonds z Sarasoty, Lucent Diamond z Denver, New Age Diamond z Petersburga, Tairus Created Gems z Nowosybirska oraz Takara Diamond z Redmont — wszystkie korzystające z pras typu "BARS" zarówno do syntezy, jak i poprawiania barwy kamieni. Do drugiej grupy, wykorzystującej prasy "BARS" i "Belt" przy syntezie oraz produkcji kamieni na indywidualne zamówienie, należą Brilliant Dushi Ltd. z Nowosybirska, Chatham Created Gems z San Francisco, Morion Company z Brighton oraz Life Gem Created Diamonds z Chicago.
Jak działa metoda CVD
Diamenty CVD zadebiutowały na rynku jubilerskim na przełomie 2003 i 2004 roku. Metoda ta różni się fundamentalnie od HPHT — zamiast wysokiego ciśnienia wykorzystuje kontrolowane osadzanie par pierwiastków lub związków chemicznych na odpowiednim podłożu, gdzie wiążą się one chemicznie (stąd nazwa CVD) lub fizycznie (wtedy mówimy o PVD, Physical Vapour Deposition). Sama technika osadzania z fazy gazowej znana była wcześniej z zastosowań w obróbce cieplno-chemicznej innych materiałów, ale jej wykorzystanie do hodowli diamentów było w swoim czasie sporym zaskoczeniem branży. Liczono, że pozwoli to znacząco obniżyć koszty produkcji — na tyle, by diamenty CVD konkurowały cenowo zarówno z kamieniami HPHT, jak i naturalnymi — a przy okazji dała możliwość celowego "projektowania" wybranych właściwości gotowego kryształu.
Proces zachodzi w całości w fazie gazowej: mieszanina metanu i wodoru (typowo w proporcji 1:100) zostaje aktywowana i wprowadzona do komory reakcyjnej, gdzie ulega reakcji chemicznej i wiąże się z podłożem. Aktywację można przeprowadzić na kilka sposobów — termicznie, elektrycznie, chemicznie lub fotochemicznie, choć w praktyce dominuje dziś wariant termiczny. Wymaga on temperatur przekraczających nawet 1100°C, co znacząco zawęża praktyczne zastosowania metody, ale jest niezbędne do zjonizowania atomów węgla na tyle, by mogły się związać z podłożem. Obecnie na czele producentów wykorzystujących CVD stoją Apollo Diamond z Bostonu oraz Carnegie Institution z Waszyngtonu.
Jak rozpoznać diament syntetyczny od naturalnego
Rozróżnienie kamienia naturalnego od syntetycznego lub poprawianego wymaga specjalistycznego sprzętu — takie urządzenia opracowały laboratoria De Beers, Wysokiej Rady Diamentów (HRD) oraz Szwajcarskiego Instytutu Gemmologicznego (SSEF). Na rynku funkcjonuje dziś kilka takich testerów: DiamondSure™, DiamondView™, D-screen™ oraz SSEF Type II Diamond Spotter. Wszystkie są kosztowne i służą przede wszystkim do wykrywania diamentów barwnych.
Zacznijmy od DiamondSure™, urządzenia The Diamond Trading Co. Ltd. Pozwala ono błyskawicznie przebadać duże partie oszlifowanych kamieni, sprawdzając obecność linii absorpcyjnej przy 415 nm. Jej obecność cechuje zdecydowaną większość naturalnych diamentów typu I — a to aż około 98% wszystkich kamieni jubilerskich, znanych jako seria Cape. Linii tej brakuje natomiast diamentom typu II, praktycznie wszystkim syntetykom (zarówno HPHT, jak i CVD), a także znanym imitacjom — moissanitowi czy cyrkonii.
Ten sam producent oferuje też DiamondView™, dający możliwość dodatkowego rozróżnienia kamieni HPHT od CVD dzięki analizie powierzchniowej fluorescencji (rzadziej fosforescencji) kryształu.
Diamenty naturalne i syntetyczne różnią się wewnętrzną strukturą wzrostu, co przekłada się na odmienny obraz fluorescencyjny widoczny w urządzeniu. Poza samą strukturą, sygnałem rozpoznawczym bywa też kolor świecenia — naturalne kamienie zwykle świecą na niebiesko (rzadziej żółto), syntetyki HPHT dają odcień zielonożółty lub niebiesko-żółty, a produkty CVD fluoryzują od pomarańczu po czerwień.
Trzecie urządzenie, D-screen™, to dzieło laboratorium HRD — kompaktowy tester, który w prosty sposób odróżnia naturalne diamenty od tych z poprawioną metodą HPHT barwą, a także od pełnoprawnych syntetyków (zarówno HPHT, jak i CVD).
Zasada działania takich testerów sprowadza się do pomiaru, ile promieniowania z zakresu krótkofalowego nadfioletu przenika przez badany kamień. W praktyce wystarczy umieścić diament wewnątrz urządzenia i odczytać kolor zaświecającej się diody — zielony oznacza kamień naturalny, pomarańczowy sygnalizuje syntetyk lub kamień poprawiany. To nie tylko ciekawostka techniczna, ale realne zabezpieczenie rynku — bez takiej kontroli trudno byłoby mieć pewność, czy kupowany pierścionek z brylantem zawiera diament naturalny czy laboratoryjny.
Ostatnie z wymienionych urządzeń, SSEF Type II Diamond Spotter ze szwajcarskiego instytutu SSEF, bazuje na innej zasadzie — wykorzystuje różnice w przepuszczalności promieniowania nadfioletowego o długości 254 nm między diamentami typu IIa (naturalnymi lub syntetycznymi) a typu Ia (wyłącznie naturalnymi). Kamień umieszcza się między źródłem światła a ekranem pokrytym luminoforem fluoryzującym na zielono — zielona poświata ekranu oznacza, że promieniowanie przeszło przez kamień, czyli mamy do czynienia z typem IIa, a biały ekran wskazuje na pochłanianie promieniowania, typowe dla typu Ia.
Diagnostyka pod mikroskopem
Kolorowe diamenty z HPHT zdradzają się pod mikroskopem charakterystycznym wzorem — strefowym rozkładem barwy naśladującym budowę wzrostową kryształu, widocznym najczęściej jako nałożone na siebie kształty krzyża i kwadratu, będące śladem jednoczesnego wzrostu w formie oktaedrycznej i kubicznej. Starsze generacje takich kamieni miały dodatkowo widoczne naturalne ścianki kryształu zarodkowego oraz spore wtrącenia metaliczne — czarne pod światłem przechodzącym, o nieregularnym kształcie, czasem nawet nadające kamieniowi właściwości magnetyczne. Nowsze technologie ograniczyły ten problem niemal do zera — jeśli inkluzje w ogóle występują, to w postaci drobnych punktów lub niewielkich, mlecznobiałych skupisk pozostałości katalizatora.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja przy bezbarwnych syntetykach — nie mają one ani strefowości, ani sektorowego rozkładu barwy, są niemagnetyczne i pozbawione charakterystycznych wtrąceń, co czyni je pod względem wizualnym niemal idealnymi kamieniami szlachetnymi.
Więcej informacji o diamentach i innych kamieniach szlachetnych znajdziesz w naszym poradniku: Poradnik - wszystko o diamentach.