Polski Jubiler 3(14)2001 - Aktualny numer

NUMER ARCHIWALNY

Na okładce: Jacek Byczewski, bransolety, stal, złoto

fot. J. Malinowski

W NUMERZE

Historia produkcji i charakterystyka gemmologiczna syntetycznych korundów otrzymywanych w Polsce*

     Od najdawniejszych czasów człowiek starał się naśladować naturę i samemu tworzyć piękne, drogocenne kamienie, których posiadanie było wyrazem zamożności i pozycji społecznej. Zarówno w przeszłości, jak i obecnie do najcenniejszych kamieni szlachetnych zaliczane są barwne odmiany korundu (A12CX): czerwony - rubin, niebieski - szafir, czy różowopomarańczowy - padparadża. W 1857 r. francuski chemik M. Gaudin wytworzył rubin o masie l kr. Była to pierwsza udana próba otrzymania syntetycznego monokryształu, choć nie nadawał się on jeszcze ani do celów technicznych ani jubilerskich. Podobnie udane eksperymenty prowadzili w tamtych latach również Francuzi E. Fremy i C. Feila oraz pionierzy badań nad syntezą kryształów K. i J. Nassau, którzy otrzymali dużą liczbę maleńkich rubinów. W 1886 r. na rynkach europejskich pojawiły się stosunkowo duże i tanie tzw. rubiny genewskie, produkowane przez jedną z firm szwajcarskich. Nie były to jednak kamienie syntetyczne, lecz rekonstruowane, otrzymane z bardzo małych naturalnych korundów. Syntetyczne rubiny przewyższające jakością i wielkością rubiny genewskie otrzymał w 1891 r. Francuz A. Yerneuil. Jego metoda, mimo upływu lat, stanowi w dalszym ciągu jedną z podstawowych metod otrzymywania wielu syntetycznych kamieni szlachetnych. Oczywiście w miarę rozwoju nauki doskonalono stare technologie i opracowywano nowe. Duże zasługi w tym zakresie należy przypisać polskiemu uczonemu J. Czochralskiemu, który w 1916 r. opracował metodę wyciągania monokryształów z cieczy, nazwaną na jego cześć metodą Czochralskiego.
     Osiągnięcia w syntezie korundów, jakie miały miejsce pod koniec XIX w., dały początek burzliwemu rozwojowi badań nad otrzymywaniem innych rodzajów kryształów. Dzisiaj monokryształy produkuje się wieloma sposobami, wykorzystując wszystkie fazy do przeprowadzenia krystalizacji. Stosunkowo łatwa i tania produkcja syntetycznych korundów, a także ich atrakcyjne właściwości sprawiają, że nadal znajdują one duże zastosowanie w przemyśle i jubilerstwie. Ocenia się, że ok. 80% światowej produkcji syntetycznych korundów wykorzystuje się w technice, zaś pozostałe w jubilerstwie. O olbrzymim zapotrzebowaniu na korundy świadczyć może fakt, że USA już w 1950 r. zużywały rocznie, tylko do celów technicznych, ponad 100 mln prętów korundowych. Można by zatem zaryzykować twierdzenie, że stopień uprzemysłowienia gospodarki w danym państwie uwidoczniał się w ilości zużywanych kamieni syntetycznych.

Historia produkcji korundów syntetycznych w Polsce
     Pierwsze syntetyczne monokryształy korundu otrzymano w Hucie Aluminium w Skawinie w 1957 r. Kilka lat później (w 1963 r.) uruchomiono produkcję leukoszafirów i rubinów. W 1968 r. powołano Zakład Doświadczalny, którego podstawową działalnością była produkcja materiałów wysokiej czystości dla potrzeb przemysłu elektronicznego oraz, na mniejszą skalę, produkcja syntetycznych kamieni szlachetnych. W 1986 r. Zakład Doświadczalny został sprzedany Centrum Naukowo-Produkcyjnemu Materiałów Elektronicznych Unitra-Cemat w Warszawie. Na jego bazie powstał zamiejscowy Zakład Produkcji Materiałów Elektronicznych nr 4 w Skawinie. W 1991 r. zakład został przejęty przez J. Persyka (po wykupie maszyn i urządzeń oraz wydzierżawieniu nieruchomości), co zaowocowało powstaniem firmy Korund-Skawina Jacek Persyk. W połowie lat 90. firma upadła. Część majątku ruchomego została sprzedana, a budynki i urządzenia trwałe wróciły do poprzedniego właściciela Cemat-70 SA.

     W 1996 r. Cemat-70 SA i inni wspólnicy utworzyli Przedsiębiorstwo Produkcji Materiałów Syntetycznych Cemkor. Firma ta ma obecnie trzy wydziały: ceramiki, metali oraz monokryształów.
     Wydział Ceramiki zajmuje się ceramiką korundową; jest przystosowany do wytwarzania wyrobów z wysokoglinowej ceramiki, produkuje tłoki ceramiczne, uszczelnienia do pomp wodnych i in.
     Wydział Metali, w którym znajdują się piece indukcyjne o dużej wydajności oraz piece oporowe, zajmuje się otrzymywaniem tantalu i innych metali wysokiej czystości, m.in. srebra w postaci drutów, blach, folii i in.
     Wydział Monokryształów, wykorzystując wcześniej opracowane technologie będące adaptacją metod Verneuila, Bridgmana i Kyropulosa, od stycznia 1997 r. z powodzeniem produkował korundy barwne i bezbarwne oraz barwne spinele do celów jubilerskich. Od początku 1998 r. - wobec braku zamówień - wytwarzane są tylko korundy znajdujące zastosowanie w przemyśle, m.in. przy produkcji skalpeli mikrochirurgicznych z ostrzem korundowym, noży do wag analitycznych, ciągadeł, dysz, łożysk oraz szkiełek zegarowych.

Charakterystyka gemmologiczna korundów polskich
     Charakterystyka gemmologiczna skawińskich korundów pozwala stwierdzić, że są to kamienie dobrej jakości. Większość ich właściwości jest taka sama lub bardzo podobna jak korundów naturalnych (tab.); wykazują też one właściwości typowe dla syntez otrzymywanych metodą Verneuila produkowanych przez inne firmy. Ciekawe wyniki przyniosły badania dotyczące genezy barwy. Według danych literaturowych zweryfikowanych przez dr. M. Czaję ustalono na podstawie analizy widm absorpcji, ekscytacji i fluorescencji, że głównym jonem barwiącym korund jest chrom, jednak odcień barwy kryształu zależy głównie od orientacji krystalograficznej, wzdłuż której kryształ wzrastał. I tak, gdy kierunek ten jest prostopadły do osi krystalograficznej Z, korund ma barwę czerwoną (rubin); barwy niebieska i fioletowa powstają wówczas, kiedy kierunek osi wzrostu kryształu tworzy z osią krystalograficzną Z kąt równy 60°, natomiast barwę różowopomarańczową mają kryształy wzrastające równolegle do osi krystalograficznej Z. Oczywiście zmiana odcienia barwy korundów może być powodowana obecnością domieszek tlenków innych metali, np. dodanie wanadu przesuwa pasmo transmisji w zakres barwy zielonej, natomiast dodanie żelaza wzmacnia absorpcję w zakresie krawędzi pasm niebieskich. Równocześnie wzrost stężenia tlenku barwiącego powoduje także wzmocnienie barwy. W świetle tych badań nieprawdziwe okazało się twierdzenie, że barwa szafirów padparadża wywołana jest obecnością par magnezu i chromu lub też jonami niklu.
     Poza badaniem różnych czynników kreujących barwę kryształów syntetycznych, innym złożonym zagadnieniem jest jej precyzyjny opis. W warunkach produkcyjnych barwę kamieni określa się za pomocą lupy aplanatyczno-achromatycznej o 10x powiększeniu. Badania takie mają oczywiście charakter uproszczony, nawet jeżeli prowadzą je osoby o dużym doświadczeniu, a do opisu barwy posługują się różnymi zestawami porównawczymi lub atlasami barw. Zestawy porównawcze (wzorcowe), a także atlasy barwy, poza diamentami, nie znalazły jeszcze powszechnego zastosowania w praktyce gemmologicznej. Główną przeszkodą jest mnogość odcieni barw występujących nawet w obrębie jednego rodzaju kamieni.
     Ogólnie szacuje się, że oko ludzkie jest w stanie odróżnić ok. 5 x 106 - 5 x 107 odcieni barw; jest więc zrozumiałe, że tylko ilościowy pomiar barwy może być źródłem obiektywnej informacji o badanych obiektach. Taką obiektywną metodykę postępowania daje kolorymetria trójchromatyczna (ustalenia Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej CIE z 1931 r.). Do badań służą kolorymetry i fotometry. Kolorymetry pozwalają na pomiar natężenia światła przechodzącego przez badany kamień lub odbitego od niego i porównanie go z wzorcem. Kamienie do tego rodzaju badań przygotowuje się w postaci płasko-równoległych płytek o grubości przynajmniej l mm. Płytki muszą mieć co najmniej jedną dobrze wypolerowaną ściankę.

     Kolorymetry i fotometry są urządzeniami drogimi, a pomiar jest dość czasochłonny, dlatego też nie znalazły one szerszego zastosowania w jubilerstwie, mimo że jest to najbardziej obiektywny sposób ilościowego określenia barwy.
     Otrzymane przez autora korundy ze Skawiny były badane na spektrokolorymetrze trójchromatycznym typu MiniScan XE firmy HunterLab z USA. Za pomocą tego urządzenia bada się widmo refleksyjne; zastosowane źródło światła odpowiada iluminantowi D65.
     Do badań wykorzystano 11 szlifów (dalej określonych jako S) o grubości l mm. Jako wzorzec wykorzystano korund naturalny z półwyspu Kola. Na wykresach l i 2 przedstawiono procentową zależność intensywności odbicia światła od długości fali.
     Otrzymane wyniki pomiarów barwy można przedstawić w różnych układach Pomiary barwy w układzie CIELAB, który jest zmodyfikowanym układem CIE, przedstawiono na wykresie 3. Taka forma przedstawiania danych w przejrzysty sposób informuje o otrzymanych wynikach i daje możliwość szybkiego opisania i porównania ich ze sobą. Jak widać, jedynie szlify Sl i S2 mają wyraźną barwę czerwoną z odcieniem niebieskim. Obie próbki mają także mniejszą jasność od przyjętego wzorca S11 (rubin naturalny). Pozostałe szlify są jaśniejsze od wybranego standardu oraz nie mają wyraźnej barwy. Przy podobnych interpretacjach należy jednak uwzględniać barwę wzorca.
     Wyniki przedstawione na wykresach l i 2 mogą w przyszłości posłużyć do opracowania bardziej obiektywnego modelu oceny barwy niż za pomocą lupy aplanatyczno-achromatycznej. Pomiary wykonane za pomocą spektrokolorymetru możliwość analizowania cech barwy (jasności, nasycenia) oraz pozwalają określić odchylenia od wybranego wzorca. Ważne jest także to, że sposób wykonania pomiaru nie jest skomplikowany. W świetle uzyskanych wyników można przyjąć, że stosowana technika pomiaru może stać się ilościową i nieniszczącą metodą badania barwy kryształów, pod warunkiem ujednolicenia standardów przy sporządzaniu wzorców.

*Artykuł został napisany na podstawie pracy magisterskiej autora wykonanej pod kierunkiem prof. dr. hab. Michała Sachanbińskiego.

Literatura:
A. Bartecki: Barwa związków metali. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993.
M. Czaja, D. Kus: Co wiemy o polskich syntetycznych kamieniach ozdobnych? I Konferencja "Barwa w przyrodzie, nauce i technice". Wrocław 1998.
D. Elwell: Man-made gemstones. Ellis Harwood Ltd., New York 1979.
K. Maślankiewicz: Kamienie szlachetne. Wyd. Geologiczne, Warszawa 1987.
M. Płaszyńska: Kamienie szlachetne - nie niszczące metody badania. PWN, Warszawa 1988.
K. Schmetzer: Naturliche und synthetische Rubine. Stuttgart 1986.
M. Woźniak, Cz. Janusz: Syntetyczne monokryształy korundu. "Rudy i Metale Nieżelazne" 1962 nr 10.
M. Woźniaki in.: 10 lat pracy huty aluminium w Skawinie. "Rudy i Metale Nieżelazne" 1964 nr 9.
J. Żmija: Otrzymywanie monokryształów. PWN, Warszawa 1988.

Fatal error: require() [function.require]: Failed opening required '../../config/right.inc' (include_path='.:/usr/multiphp/php5.2/usr/share/php:/home/lib/php5.2:/home/lib/php5.2/pear') in /home/users/pj/public_html/archiwum/jubiler_3-14/index.php on line 46