ювелирных изделий.
Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд, турмалин,
аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана с
пегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в таких
условиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могут
достигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы не
превышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под
воздействием самых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют
различные названия: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в
этих пустотах омываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими
различные вещества. Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы,
а целые их семейства, которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как
образуются в природе изумруды, которые пока еще не были получены
искусственно. Месторождения изумрудов обычно связаны с пегматитами, где
ювелирные кристаллы формируются в камерах. Известны также месторождения
изумрудов в метаморфических породах, переработанных бериллиеносными
растворами. Поскольку благородная темно-зеленая окраска изумруда
объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобы этот элемент
содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместо изумруда
образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чаще всего
залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием и
другими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые
копи Урала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при
низких температурах не более 100 – 1800 С в результате просачивания
минералообразующих растворов через известняк и отложения изумрудов в
полостях, образовавшихся при растворении известняков горячими растворами.
Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоено искусственное
получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды
аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают на синтетических
кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают в
гидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли при
описании природных условий образования минералов. Оно используется и в
технике для обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды».
Кристаллы выращивают в специальных трубах — автоклавах высотой несколько
метров. Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и
покрывают изнутри серебром. Это делается для того, чтобы на трубе не
образовалась ржавчина, которая при попадании в растущий кристалл кварца
может вызвать различные нежелательные дефекты монокристалла. В нижней части
трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с
добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот
градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде,
насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл
кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве
несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растут несколько лет.
Требования технологии очень высоки: температурный режим, например, нe может
изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла. В таких
условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.
Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя, человек в
значительной степени использовал знания, полученные при изучении природных
условий образования минерала, и эти природные условия искусственно
воссоздал в автоклаве.
А вот другая группа оксида кремния (IV) — благородные опалы и агаты,
которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Эти
некристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других
условиях. В природе они образуются из кремнистого геля, который отлагается
в пустотах лав — застывшей массы, которая образуется при извержениях
вулканов. Эти породы называются вулканическими, или эффузивными. Выпадение
кремнезема в порах и пустотах вулканических пород связано с понижением
температуры кремнистого геля до 100 —1500 С. Месторождения благородного
опала встречаются также в древних корах выветривания. Предполагают, что в
результате испарения грунтовых вод под действием сухого климата происходило
увеличивание концентрации кремнезема и выпадения его почти на поверхности
Земли. К этому типу относятся основные месторождения благородного опала в
Австралии.
Еще совсем недавно, мы ничего не знали об искусственном опале. Но вот
пришло сообщение, что французский химик Гилсон синтезировал и выпустил на
международный рынок белые и черные драгоценные синтетические опалы, которые
обладают всеми внешними признаками, свойственными природным благородным
опалам и, в первую очередь, ирризацией. Даже специалисты по драгоценным
камням затрудняются отличать полученные синтетические опалы oт природных.
Технология производства искусственных опалов пока остается тайной
изобретателя.
Список драгоценных камней, которые получают искусственно, все время
растет.
Российские ученые разгадали еще один секрет природы – получение аметиста
– горного хрусталя густо фиолетового цвета. Аметисты выращивают так же, как
и кристаллы кварца. Затем кристаллы облучают (-лучами в реакторах. Под
воздействием облучения в кристалле возникают разные дефекты, которые и
обуславливают его фиолетовый цвет. В данном случае окраска аметиста не
обусловлена примесью каких либо других элементов, а имеет другие причины.
Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько лет, и любые кристаллы
драгоценных камней и других замечательных минералов могут быть получены
искусственным путем.
Мы рассмотрели естественные и искусственные условия образования
драгоценных камней. Однако существует еще одна группа минералов о которых
мы не можем сказать ни слова: они не существуют в природе. Это минералы
созданные человеком в лабораторных условиях. Несколько лет назад в
ювелирных магазинах появились изделия с прекрасными прозрачными камнями
различного цвета. По красоте они не уступают бриллиантам. Эти искусственные
камни были названы фианитами в честь места их рождения Физического
института Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН). По составу феаниты
представляют собой смесь оксидов циркония и гафния. Фианиты изготовляются
для различных отраслей народного хозяйства: оптики, электроники,
производства лазеров, ювелирных изделий. Другой известный искусственный
минерал, широко используемый в ювелирном деле, - гранатит – алюминиево-
иттриевый гранат. Новые минералы окрашивают в различные цвета с помощью
хромофор, и они великолепно имитируют драгоценные камни.
Круг искусственных драгоценных камней, применяемых в ювелирном деле
(гемологии), постоянно расширяется. Современная гемология использует
многочисленные синтетические минералы: изумруды, шпинели, гранаты, рубины,
сапфиры, имитацию жада и многие другие.
Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательные минералы в
качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромные скрытые
возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светской дамы
или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но шли годы, бурное развитие
науки и техники вовлекало в сферу производства все новые и новые материалы,
и многие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов,
оказались совершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с
помощью рубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от
Земли до Луны. Самый ценный камень — алмаз — в настоящее время является
больше техническим камнем, чем камнем красоты. Алмазы используют для
шлифовки, резки, с помощью специальных приспособлений — буровых коронок,
усаженных алмазами, сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Образно
говоря, прошли времена алмазных корон — настали времена алмазных коронок.
Электротехника, оптика, радиотехника, военное дело, точная механика и
многие другие отрасли народного хозяйства претендуют на драгоценные камни
вовсе не из-за их красоты, а именно из-за их эамечательных свойств.
Использование минералов для технических целей началось уже давно, может
быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когда первобытный
человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево — это и было
первое техническое применение камня. Позже человек усовершенствовал свой
инструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный топор.
Разумеется, современнее применение минералов в технике намного сложнее.
Какие же свойства определили широкое применение минералов в современной
технике?
Твердость. Твердость минералов — это комплексное физическое свойство,
зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний,
валентности ионов и атомов, слагающих минерал, и т. д. В практической
минералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной
шкалой Мооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с
твердостью от 1 до 10. Более точные количественные значения твердости
определяют с помощью специальных приборов — склерометров. Алмазную или
стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а
затем изменяют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения
рассчитываются а килограммах на 1 мм.
Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость, равную 10.
Недаром его название произошло от греческого слова адамас, что означает
«непобедимый». Такая «непобедимость» алмаза определила его широкое
применение для изготовления режущих инструментов. Самым простым из них
является известный всем стеклорез. Это наиболее древнее техническое
применение алмаза, которое мы знаем. Алмазы употребляют в
металлообрабатывающей промышленности для изготовления пил; резцов,
приготовления полировальной пасты, используют для конструирования алмазных
коронок, обеспечивающих высокопроизводительное бурение горных пород и т. д.
Подсчитано, что мировая потребность в алмазах составила к 1975 г. более
20 т, и это для минерала, масса кристаллов которого измеряется в каратах
(0,02 г). Американские специалисты писали, что если изъять из употребления
в США алмазные инструменты, то промышленный потенциал этой страны снизится
