Сапфир — драгоценный драгоценный камень , разновидность минерала корунда , состоящий из оксида алюминия ( α- Al 2 O 3 ) с незначительными количествами таких элементов, как железо , титан , кобальт , свинец , хром , ванадий , магний , бор и кремний. . Название сапфир происходит от латинского sapphirus от греческого sappheiros ( σάπφειρος ), которое относится к лазуриту . [2] Обычно это синий цвет, но природные «фантазийные» сапфиры также встречаются в желтом, фиолетовом, оранжевом и зеленом цветах; «парти-сапфиры» имеют два или более цвета. Встречаются также красные корунды, но их называют рубинами , а не сапфирами. [3] Корунд розового цвета может быть классифицирован как рубин или сапфир в зависимости от региона. [ необходимы разъяснения ] Обычно натуральные сапфиры ограняют и полируют до драгоценных камней и носят в ювелирных изделиях . Они также могут быть созданы синтетически в лабораториях для промышленных или декоративных целей в больших хрустальных булях . Из-за замечательной твердости сапфиров – 9 по шкале Мооса (третий по твердости минерал после алмаза с 10 и муассанита с 9,5) – сапфиры также используются в некоторых недекоративных применениях, таких как инфракрасные оптические компоненты, высокопрочные окна . кристаллы и подшипники механизмов наручных часов , а также очень тонкие электронные пластины , которые используются в качестве изолирующих подложек специальной твердотельной электроники, такой как интегральные схемы и синие светодиоды на основе GaN . Сапфир — камень сентября и драгоценный камень 45- летия . Сапфировый юбилей наступает после 65 лет. [4]
Сапфир — одна из двух разновидностей корунда , вторая — рубин (определяемый как корунд красного оттенка). Хотя синий — самый известный цвет сапфиров, они встречаются и в других цветах, включая серый и черный, а также могут быть бесцветными. Розовато-оранжевая разновидность сапфира называется падпараджа.
Значительные месторождения сапфиров обнаружены в Австралии , Афганистане , Камбодже , Камеруне , Китае ( Шаньдун ), Колумбии , Эфиопии , Индии , Джамму и Кашмире ( Паддер , Киштвар ), Кении , Лаосе , Мадагаскаре , Малави , Мозамбике , Мьянме ( Бирма ) , Нигерии , Руанда , Шри-Ланка , Танзания , Таиланд , США ( Монтана ) и Вьетнам . [5] : 431–707 Сапфир и рубины часто встречаются в одних и тех же географических условиях, но обычно они имеют разные геологические образования. Например, и рубин, и сапфир встречаются в каменном урочище Могок в Мьянме, но рубины образуются в мраморе, а сапфир - в гранитных пегматитах или корундовых сиенитах. [5] : 403–429.
Каждый сапфировый рудник производит широкий спектр качественных материалов, и происхождение не является гарантией качества. За сапфиры Джамму и Кашмир получают самую высокую премию, хотя Бирма, Шри-Ланка и Мадагаскар также производят большое количество драгоценных камней высокого качества. [3]
Стоимость натуральных сапфиров варьируется в зависимости от их цвета, чистоты, размера, огранки и общего качества. Полностью необработанные сапфиры стоят гораздо дороже, чем обработанные. Географическое происхождение также оказывает большое влияние на цену. Для большинства драгоценных камней весом в один карат и более покупателям часто требуется независимый отчет уважаемой лаборатории, такой как GIA , Lotus Gemology или SSEF , прежде чем они совершат покупку. [6]
Сапфиры других цветов, кроме синего, называются «фантазийными». «Парти-сапфир» используется для многоцветных камней с зонированием разных цветов (оттенков), но не разных оттенков. [7]
Фантазийные сапфиры встречаются желтого, оранжевого, зеленого, коричневого, фиолетового, фиолетового и практически любого другого оттенка. [8]
Цвет драгоценного камня можно описать с точки зрения оттенка , насыщенности и тона . Оттенок обычно понимают как « цвет » драгоценного камня. Насыщенность относится к живости или яркости оттенка, а тон — к светлости или темноте оттенка. [5] : 333–401 Синий сапфир существует в различных сочетаниях основных (синих) и вторичных оттенков, различных тональных уровнях (оттенках) и на разных уровнях насыщенности (яркости).
Синие сапфиры оцениваются по чистоте их синего оттенка. Фиолетовый и зеленый — наиболее распространенные вторичные оттенки синих сапфиров. [5] : 333–401 Самые высокие цены платятся за драгоценные камни чистого синего цвета и яркой насыщенности. Драгоценные камни с более низкой насыщенностью или слишком темными или слишком светлыми тонами имеют меньшую ценность. Однако цветовые предпочтения — это личный вкус, как вкус мороженого. [5] : 333–401.
Сапфир Логан весом 423 карата (84,6 г), хранящийся в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия , является одним из крупнейших существующих ограненных синих сапфиров ювелирного качества.
Сирена Серендипа весом 422,66 карата [9] в Хьюстонском музее естественных наук – еще один потрясающий образец шри-ланкийского сапфира, выставленный на всеобщее обозрение.
Разноцветные сапфиры (или двухцветные сапфиры) — это камни, которые имеют два или более цвета в одном камне. [8] О желательности разноцветных или двухцветных сапфиров обычно судят на основании зонирования или расположения их цветов, насыщенности цветов и контрастности их цветов. [10] Австралия является крупнейшим источником разноцветных сапфиров; они обычно не используются в основных ювелирных изделиях и остаются относительно неизвестными. Разноцветные сапфиры не могут быть созданы синтетически и встречаются только в природе. [10]
Розовые сапфиры бывают оттенков от светлого до темно-розового и становятся темнее по мере увеличения количества хрома . Чем глубже розовый цвет, тем выше их денежная стоимость . В Соединенных Штатах для того, чтобы называться рубином, необходимо соблюдать минимальную насыщенность цвета , в противном случае камень называют розовым сапфиром . [11]
Падпараджа — это нежный корунд от светлого до среднего тона, от розово-оранжевого до оранжево-розового оттенка , первоначально обнаруженный в Шри-Ланке , [12] , но также обнаруженный в месторождениях во Вьетнаме и некоторых частях Восточной Африки . Сапфиры Падпараджа встречаются редко; Самым редким из всех является полностью натуральный сорт, без каких-либо признаков искусственной обработки. [13]
Название происходит от санскритского падма ранга (падма = лотос; ранга = цвет), цвета, родственного цветку лотоса ( Nelumbo nucifera ). [14]
Среди фантазийных (не синих) сапфиров натуральные падпараджа продаются по самым высоким ценам. С 2001 года на рынке появилось больше сапфиров этого цвета в результате искусственной решетчатой диффузии бериллия. [15]
Звездчатый сапфир — это тип сапфира, который демонстрирует звездообразное явление, известное как астеризм ; красные камни известны как «звездные рубины». Звездчатые сапфиры содержат пересекающиеся игольчатые включения , повторяющие основную кристаллическую структуру , что приводит к появлению шестилучевого узора в форме звезды при просмотре с помощью одного источника верхнего света. Включение часто представляет собой минерал рутил , минерал, состоящий в основном из диоксида титана . [16] Камни огранены кабошоном , обычно с центром звезды рядом с вершиной купола. Иногда встречаются двенадцатилучевые звезды, обычно потому, что в одном и том же камне обнаруживаются два разных набора включений, например, комбинация тонких игл рутила с небольшими пластинками гематита ; первый дает беловатую звезду, а второй - звезду золотистого цвета. Во время кристаллизации два типа включений преимущественно ориентируются в разных направлениях внутри кристалла, образуя тем самым две шестилучевые звезды, которые накладываются друг на друга, образуя двенадцатилучевую звезду. [17] Деформированные звезды или 12-лучевые звезды также могут образовываться в результате двойников . В качестве альтернативы включения могут создавать эффект кошачьего глаза , если плоскость пояска кабошона ориентирована параллельно оси c кристалла, а не перпендикулярно ей. Чтобы получить кошачий глаз, плоскости растворенных включений должны быть предельно однородными и плотно упакованными. Если купол ориентирован между этими двумя направлениями, будет видна смещенная от центра звезда, смещенная от высшей точки купола. [5] : 101
Звезда Адама весом 1404,49 карата является крупнейшим из известных голубых звездчатых сапфиров. Драгоценный камень был добыт в городе Ратнапура на юге Шри-Ланки. [18] Черная звезда Квинсленда , второй по величине звездчатый сапфир в мире, весит 733 карата . [19] Звезда Индии , добытая в Шри-Ланке и весом 563,4 карата, считается третьим по величине звездчатым сапфиром и в настоящее время выставлена в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке . Звезда Бомбея весом 182 карата , добытая в Шри-Ланке и находящаяся в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия , является еще одним примером большого синего звездчатого сапфира. Ценность звездчатого сапфира зависит не только от веса камня, но и от цвета корпуса, видимости и интенсивности астеризма. Цвет камня оказывает большее влияние на стоимость, чем видимость звезды. Поскольку более прозрачные камни, как правило, имеют лучший цвет, самые дорогие звездчатые камни — это полупрозрачные камни «стеклянного тела» ярких цветов. [5] : 348–350
28 июля 2021 года в Ратнапуре, Шри-Ланка, была обнаружена крупнейшая в мире гроздь звездчатых сапфиров весом 510 кг (1120 фунтов). Это звездчатое сапфировое скопление было названо « Сапфир Серендипити ». [20] [21]
Редкая разновидность природного сапфира, известная как сапфир, меняющий цвет, при разном освещении приобретает разные цвета. Сапфиры, меняющие цвет, имеют синий цвет при наружном освещении и фиолетовый при свете ламп накаливания в помещении, или от зеленого до серо-зеленого при дневном свете и от розового до красновато-фиолетового при свете ламп накаливания. Сапфиры, меняющие цвет, добываются в самых разных местах, включая Мадагаскар , Мьянму , Шри-Ланку и Танзанию . Существуют два типа. Первый включает хромофор хрома , который придает рубину красный цвет, в сочетании с хромофором железа и титана , который придает сапфиру синий цвет. Более редкий тип, добываемый в районе Могок в Мьянме, содержит хромофор ванадия , такой же, как тот, который используется в синтетическом сапфире Верней, меняющем цвет.
Практически все драгоценные камни, демонстрирующие «эффект александрита» (изменение цвета или « метамерию »), демонстрируют схожие характеристики поглощения/пропускания в видимом спектре. Это полоса поглощения желтого цвета (~ 590 нм), а также долины пропускания сине-зеленого и красного цветов. Таким образом, цвет, который человек видит, зависит от спектрального состава источника света. Дневной свет относительно сбалансирован по спектральному распределению мощности (SPD), и поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету, баланс смещен в зеленую сторону. Однако свет ламп накаливания (включая свет свечей) сильно наклонен к красному концу спектра, тем самым склоняя баланс в сторону красного. [22]
Сапфиры, меняющие цвет, окрашенные хромофорами Cr + Fe/Ti, обычно меняют цвет с синего или фиолетово-синего на фиолетовый или пурпурный. Цвета, окрашенные хромофором V, могут демонстрировать более выраженные изменения: от сине-зеленого к фиолетовому.
Некоторые синтетические сапфиры, меняющие цвет, имеют такое же изменение цвета, что и природный драгоценный камень александрит , и иногда их продают как «александрий» или «синтетический александрит». Однако последний термин является неправильным: синтетические сапфиры, меняющие цвет, технически являются не синтетическими александритами, а скорее имитаторами александрита . Это потому, что настоящий александрит — это разновидность хризоберилла : это не сапфир, а минерал, совершенно отличный от корунда. [23]
Крупные рубины и сапфиры плохой прозрачности часто используются при подозрительных оценках, которые значительно завышают их стоимость. Так было в случае со звездным сапфиром «Жизнь и гордость Америки». Примерно в 1985 году Рой Уэтстайн утверждал, что купил камень весом 1905 карат за 10 долларов на выставке драгоценных камней в Тусоне, но репортер обнаружил, что Лос-Анджелес Уорд из Фоллбрука, Калифорния, который оценил его по цене 1200 долларов за карат, оценил еще один камень весом 1200 долларов за карат. точно такого же веса за несколько лет до того, как Уэтстайн заявил, что нашел его. [24]
Базирующаяся в Бангкоке компания Lotus Gemology ведет обновленный список мировых аукционных рекордов рубинов, сапфиров и шпинелей . По состоянию на ноябрь 2019 года ни один сапфир не был продан на аукционе дороже, чем 17 295 796 долларов. [25]
Рубины – это корунды с преобладающим красным цветом тела. Обычно это вызвано следами хрома (Cr 3+ ), замещающего ион (Al 3+ ) в структуре корунда. Цвет может быть изменен как центрами цвета железа, так и центрами цвета захваченных дырок. [26]
В отличие от локализованного («внутриатомного») поглощения света, вызывающего окраску примесей хрома и ванадия, синий цвет в сапфирах возникает в результате интервального переноса заряда, то есть переноса электрона от одного иона переходного металла к другому посредством проводимости . или валентная зона . Железо может иметь форму Fe 2+ или Fe 3+ , тогда как титан обычно имеет форму Ti 4+ . Если ионы Fe 2+ и Ti 4+ замещают Al 3+ , создаются локализованные области дисбаланса зарядов. Перенос электрона от Fe 2+ и Ti 4+ может вызвать изменение валентного состояния обоих. Из-за изменения валентности происходит определенное изменение энергии электрона, и электромагнитная энергия поглощается. Длина волны поглощаемой энергии соответствует желтому свету. Когда этот свет вычитается из падающего белого света, получается дополнительный синий цвет. Иногда, когда расстояние между атомами различно в разных направлениях, возникает сине-зеленый дихроизм .
Пурпурные сапфиры содержат незначительное количество хрома и железа , а также титана и имеют различные оттенки. Корунд, содержащий чрезвычайно низкий уровень хромофоров, практически бесцветен. Полностью бесцветного корунда в природе вообще не существует. Если присутствуют следовые количества железа , может наблюдаться цвет от очень бледно-желтого до зеленого. Однако если примеси титана и железа присутствуют вместе и в правильных валентных состояниях, результатом будет синий цвет. [27]
Интервалентный перенос заряда — это процесс, который обеспечивает яркое окрашивание при низком проценте примесей. В то время как в корунде должен присутствовать не менее 1% хрома, чтобы стал виден темно-красный рубиновый цвет, синий сапфир проявляется при наличии только 0,01% титана и железа.
Бесцветные сапфиры, редко встречающиеся в природе, когда-то использовались в качестве заменителей бриллиантов в ювелирных изделиях, а в настоящее время используются в качестве акцентных камней. [8]
Наиболее полное описание причин цвета дошедшего до нас корунда можно найти в главе 4 книги « Рубин и сапфир: руководство геммолога» (глава написана Джоном Эмметом, Эмили Дубински и Ричардом Хьюзом). [5] : 107–164.
Сапфиры добывают из россыпных месторождений или из первичных подземных выработок. Коммерческие места добычи сапфира и рубина включают (но не ограничиваются) следующие страны: Афганистан , Австралия , Мьянма / Бирма , Камбоджа , Китай , Колумбия , Индия , Кения , Лаос , Мадагаскар , Малави , Непал , Нигерия , Пакистан , Шри . Ланка , Таджикистан , Танзания , Таиланд , США и Вьетнам . Сапфиры из разных географических мест могут иметь разный внешний вид или концентрацию химических примесей и, как правило, содержать разные типы микроскопических включений. По этой причине сапфиры можно разделить на три широкие категории: классические метаморфические, неклассические метаморфические или магматические и классические магматические. [28]
Сапфиры из определенных мест или определенных категорий могут быть более коммерчески привлекательными, чем другие, [29] особенно классические метаморфические сапфиры из Кашмира, Бирмы или Шри-Ланки, которые не подвергались термической обработке. [30] [31]
Сапфир Логан , Звезда Индии , Звезда Адама и Звезда Бомбея происходят из рудников Шри-Ланки. Мадагаскар является мировым лидером по производству сапфиров (по состоянию на 2007 год), особенно по месторождениям в городе Илакака и его окрестностях . [32] До открытия рудников Илакака Австралия была крупнейшим производителем сапфиров (например, в 1987 году). [33] В 1991 году новый источник сапфиров был обнаружен в Андранондамбо, на юге Мадагаскара. Добыча сапфиров на этом участке началась в 1993 году, но через несколько лет он был практически заброшен — из-за трудностей с извлечением сапфиров в их коренных породах. [34]
В Северной Америке сапфиры добывались в основном из месторождений в Монтане : фации вдоль реки Миссури возле Хелены, штат Монтана , Драй Коттонвуд-Крик возле Дир-Лодж, штат Монтана , и Рок-Крик возле Филипсбурга, штат Монтана . Прекрасные синие сапфиры Його найдены в Його-Галч к западу от Льюистауна, штат Монтана . [35] Несколько сапфиров и рубинов ювелирного качества также были найдены в районе Франклина, Северная Каролина . [36]
Месторождения сапфиров Кашмира хорошо известны в ювелирной промышленности, хотя пик их добычи пришелся на относительно короткий период — в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. [5] : 463–482 Эти месторождения расположены в долине Паддар региона Джамму штата Джамму и Кашмир в Индии. [37] Они имеют превосходный яркий синий оттенок в сочетании с загадочным и почти сонным качеством, которое некоторые любители драгоценных камней называют «голубым бархатом». Кашмирское происхождение существенно повышает ценность сапфира, и большую часть корунда кашмирского происхождения можно легко идентифицировать по его характерному шелковистому виду и исключительному оттенку. [38] [37] Уникальный синий цвет кажется блестящим при любом освещении, в отличие от некашмирских сапфиров, которые по сравнению с ними могут казаться пурпурными или сероватыми. [39] Sotheby's был в авангарде, контролируя рекордные продажи кашмирских сапфиров по всему миру. В октябре 2014 года аукцион Sotheby's в Гонконге последовательно устанавливал рекорды цен за карат на кашмирские сапфиры – сначала с сапфировым кольцом Cartier весом 12,00 карата по цене 193 975 долларов США за карат, затем с сапфиром весом 17,16 карата по цене 236 404 доллара США и снова в июне 2015 года, когда цена за карат составила 193 975 долларов США за карат. Аукционный рекорд весом в карат был установлен на уровне 240 205 долларов США. [40] В настоящее время мировой рекорд цены за карат сапфира на аукционе удерживает сапфир из Кашмира в кольце, который был продан в октябре 2015 года примерно за 242 000 долларов США за карат ( всего 52 280 000 гонконгских долларов , включая цену покупателя). премии, или более 6,74 миллиона долларов США). [40]
Сапфиры можно обрабатывать несколькими методами, чтобы улучшить их чистоту и цвет. [5] : 197–247 Обычно природные сапфиры нагревают для улучшения их внешнего вида. Это делается путем нагревания сапфиров в печах до температуры от 800 до 1800 °C (от 1470 до 3270 °F) в течение нескольких часов или даже недель. Могут использоваться различные атмосферы. При нагревании камень становится более голубым по цвету, но теряет часть включений рутила (шелка). При использовании высоких температур (1400°C+) растворенный рутиловый шелк растворяется и при увеличении становится прозрачным. Титан из рутила переходит в твердый раствор и таким образом придает железу синий цвет. [41] Включения в натуральных камнях легко увидеть в ювелирную лупу . Свидетельства того, что сапфир и другие драгоценные камни подвергались нагреву, относятся, по крайней мере, к римским временам. [42] Ненагретые натуральные камни встречаются довольно редко и часто продаются вместе с сертификатом независимой геммологической лаборатории, подтверждающим «отсутствие признаков термической обработки».
Сапфиры Його не нуждаются в термической обработке, поскольку их васильковый цвет привлекательный даже из земли; они, как правило, не содержат включений и имеют высокую однородную прозрачность. [43] Когда в 1980-х годах компания Intergem Limited начала продавать Yogo как единственный в мире необработанный сапфир с гарантированной гарантией, о термической обработке обычно не сообщалось; к концу 1980-х годов термическая обработка стала серьезной проблемой. [35] В то время большая часть всех сапфиров в мире нагревалась, чтобы улучшить их естественный цвет. [44] Маркетинг Intergem гарантированно необработанных йогов противопоставляет их многим представителям индустрии драгоценных камней. Этот выпуск появился на первой полосе The Wall Street Journal 29 августа 1984 года в статье Билла Ричардса « Carats and Schticks: Торговец сапфирами расстраивает индустрию драгоценных камней ». [44] Однако самой большой проблемой, с которой столкнулся рудник Його, была не конкуренция со стороны нагретых сапфиров, а тот факт, что камни Його никогда не могли производить количество сапфира выше одного карата после огранки. В результате он остался нишевым продуктом, рынок которого в основном существует в США. [5] : 676–695.
Обработка решетчатой («объемной») диффузии используется для добавления примесей в сапфир для улучшения цвета. Этот процесс был первоначально разработан и запатентован подразделением Linde Air компании Union Carbide и включал диффузию титана в синтетический сапфир для выравнивания синего цвета. [45] Позже он был применен к природному сапфиру. Сегодня в диффузионном производстве титана часто используется синтетическая бесцветная сапфировая основа. Цветной слой, создаваемый диффузией титана, чрезвычайно тонкий (менее 0,5 мм). Таким образом, повторная полировка может привести к потере цвета от незначительной до значительной. Была предпринята попытка диффузии хрома, но от нее отказались из-за медленной скорости диффузии хрома в корунде.
В 2000 году на рынок поступили диффузионные бериллиевые сапфиры цвета «падпараджа». Обычно бериллий диффундирует в сапфир при очень высокой температуре, чуть ниже точки плавления сапфира. Первоначально ( ок. 2000 г. ) создавались оранжевые сапфиры, хотя сейчас процесс продвинулся и сапфиры многих цветов часто обрабатывают бериллием. Из-за небольшого размера иона бериллия проникновение цвета намного выше, чем при диффузии титана. В некоторых случаях он может проникнуть в весь камень. Оранжевые сапфиры с рассеянным бериллием может быть трудно обнаружить, поэтому требуется расширенный химический анализ в геммологических лабораториях ( например , Gübelin, SSEF , GIA , American Gemological Laboratories (AGL), Lotus Gemology . [6]
Согласно руководящим принципам Федеральной торговой комиссии США , раскрытие информации требуется о любом способе улучшения, который оказывает существенное влияние на стоимость драгоценного камня. [46]
Существует несколько способов обработки сапфира. Термическая обработка в восстановительной или окислительной атмосфере (но без использования каких-либо других добавленных примесей) обычно используется для улучшения цвета сапфиров, и в торговле драгоценными камнями этот процесс иногда называют «только нагревание». Однако, напротив, обычно также выполняется термообработка в сочетании с преднамеренным добавлением определенных специфических примесей (например, бериллия, титана, железа, хрома или никеля, которые впитываются в кристаллическую структуру сапфира), и этот процесс может быть известен. как «распространение» в торговле драгоценными камнями. Однако, несмотря на то, что могут подразумевать термины «только нагревание» и «диффузия», обе эти категории лечения на самом деле включают процессы диффузии. [47]
Наиболее полное описание существующих методов лечения корундом можно найти в главе 6 книги « Рубин и сапфир: руководство геммолога» (глава написана Джоном Эмметом, Ричардом Хьюзом и Троем Р. Даутитом). [5] : 197–247.
В 1902 году французский химик Огюст Верней объявил о способе получения синтетических кристаллов рубина . [48] При плавлении в пламени ( процесс Вернейля ) мелкий порошок оксида алюминия добавляется в кислородно-водородное пламя и направляется вниз на керамический постамент. [49] После успешного синтеза рубина Верней сосредоточил свои усилия на сапфире. Синтез синего сапфира произошел в 1909 году, после того как химический анализ сапфира предположил Вернейлю, что железо и титан являются причиной синего цвета. Верней запатентовал процесс производства синтетического синего сапфира в 1911 году. [50] [5] : 254–255.
Ключом к этому процессу является то, что порошок глинозема не плавится при попадании в пламя. Вместо этого он образует на пьедестале спеченный конус. Когда кончик этого конуса достигает самой горячей части пламени, кончик плавится. Таким образом, рост кристаллов начинается с крошечной точки, обеспечивая минимальную деформацию.
Затем в пламя добавляется больше кислорода, в результате чего оно становится немного горячее. Это расширяет растущий кристалл в поперечном направлении. При этом пьедестал опускается с той же скоростью, с которой кристалл растет вертикально. Оксид алюминия в пламени медленно осаждается, образуя каплевидную « булу » из сапфирового материала. Этот шаг продолжается до тех пор, пока не будет достигнут желаемый размер, пламя не погаснет и кристалл не остынет. Теперь вытянутый кристалл испытывает большую нагрузку из-за высокого температурного градиента между пламенем и окружающим воздухом. Чтобы снять это напряжение, по кристаллу, который теперь имеет форму пальца, постучат долотом , чтобы разделить его на две половины. [5] : 249–309.
Из-за вертикального послойного роста кристалла и изогнутой верхней поверхности роста (которая начинается с капли) кристаллы будут иметь изогнутые линии роста, следующие за верхней поверхностью були. В этом отличие от природных кристаллов корунда, которые имеют угловые линии роста, расширяющиеся из одной точки и следующие за плоскими гранями кристалла. [51]
Химические добавки могут быть добавлены для создания искусственных версий рубина и всех других естественных цветов сапфира, а также других цветов, никогда не встречающихся в геологических образцах. Материал искусственный сапфир идентичен натуральному сапфиру, за исключением того, что он может быть изготовлен без недостатков, присущих натуральным камням. Недостатком процесса Вернейля является то, что выращенные кристаллы имеют высокие внутренние напряжения. Многие методы производства сапфира сегодня являются вариациями процесса Чохральского , который был изобретен в 1916 году польским химиком Яном Чохральским . [52] В этом процессе крошечный затравочный кристалл сапфира погружается в тигель из драгоценного металла иридия или молибдена , [53] содержащий расплавленный оксид алюминия, а затем медленно вытягивается вверх со скоростью от 1 до 100 мм в час. На конце глинозем кристаллизуется, образуя длинные шарики морковной формы большого размера массой до 200 кг. [54]
Синтетический сапфир также производят в промышленных масштабах из агломерированного оксида алюминия, спеченного и сплавленного (например, горячим изостатическим прессованием ) в инертной атмосфере, с получением прозрачного, но слегка пористого поликристаллического продукта. [55]
В 2003 году мировое производство синтетического сапфира составило 250 тонн (1,25×10 9 карат), в основном в США и России. [56] [57] Доступность дешевого синтетического сапфира открыла множество промышленных применений этого уникального материала.
Синтетический сапфир, иногда называемый сапфировым стеклом , обычно используется в качестве материала для окон, поскольку он очень прозрачен для длин волн света от 150 нм ( УФ ) до 5500 нм ( ИК ) (видимый спектр простирается от 380 до 750 нм). нм [58] ) и чрезвычайно устойчив к царапинам. [59] [60]
Основные преимущества сапфировых окон:
Некоторые окна из сапфирового стекла изготавливаются из чистых сапфировых булей, выращенных с определенной ориентацией кристаллов, обычно вдоль оптической оси, оси c , для минимального двойного лучепреломления для данного применения. [61] [62]
Були нарезаются до желаемой толщины окна и, наконец, полируются до желаемого качества поверхности. Сапфировые оптические окна можно полировать до самых разных поверхностей благодаря их кристаллической структуре и твердости. Поверхностная обработка оптических окон обычно указывается в технических характеристиках в соответствии со всемирно принятой спецификацией MIL-O-13830. [ нужны разъяснения ]
Сапфировые окна используются как в камерах высокого давления, так и в вакуумных камерах для спектроскопии , кристаллы в различных часах и окна в сканерах штрих -кодов продуктовых магазинов , поскольку исключительная твердость и прочность материала делают его очень устойчивым к царапинам. [56]
В 2014 году Apple израсходовала «четверть мировых запасов сапфира для покрытия объектива камеры iPhone и сканера отпечатков пальцев». [63]
Было предпринято несколько попыток сделать сапфировые экраны для смартфонов жизнеспособными. Apple заключила контракт с GT Advanced Technologies, Inc. на производство сапфировых экранов для iPhone, но предприятие провалилось, что привело к банкротству GTAT. [ 64] Kyocera Brigadier стал первым серийным смартфоном с сапфировым экраном. [65]
Он используется для торцевых окон в некоторых мощных лазерных трубках, поскольку его широкополосная прозрачность и теплопроводность позволяют ему выдерживать очень высокую плотность мощности в инфракрасном и УФ-спектре без ухудшения качества из-за нагрева.
Наряду с оксинитридом циркония и алюминия синтетический сапфир используется для изготовления небьющихся окон в бронетехнике и различных военных бронежилетах в сочетании с композитами.
В одном типе ксеноновой дуговой лампы , первоначально называвшейся «Cermax», а теперь известной как «ксеноновая лампа с керамическим корпусом», используются выходные окна из сапфирового стекла. Этот продукт выдерживает более высокие тепловые нагрузки и, следовательно, более высокую выходную мощность по сравнению с обычными ксеноновыми лампами с окнами из чистого кварца . [66] [67]
Тонкие сапфировые пластины были первым успешным применением изолирующей подложки , на которую наносился кремний для создания интегральных схем , известных как кремний на сапфире или «SOS»; теперь для класса схем, более известных как кремний на изоляторе , можно использовать и другие подложки . Помимо превосходных электроизоляционных свойств, сапфир обладает высокой теплопроводностью . КМОП- чипы на сапфире особенно полезны для мощных радиочастотных (РЧ) приложений, например, используемых в сотовых телефонах , радиоприемниках общественной безопасности и системах спутниковой связи . «SOS» также позволяет монолитно интегрировать как цифровые , так и аналоговые схемы на одном микросхеме, а также создавать схемы с чрезвычайно низким энергопотреблением.
В одном процессе после выращивания монокристаллических сапфировых булей их сверлят в цилиндрические стержни, а затем из этих сердечников вырезают пластины. [ нужна цитата ]
Пластины монокристаллического сапфира также используются в полупроводниковой промышленности в качестве подложек для выращивания приборов на основе нитрида галлия (GaN). Использование сапфира значительно снижает стоимость, поскольку его стоимость составляет примерно одну седьмую стоимости германия . Нитрид галлия на сапфире обычно используется в синих светодиодах (светодиодах). [68]
Первый лазер был создан в 1960 году Теодором Мейманом с использованием стержня из синтетического рубина . Титан-сапфировые лазеры популярны из-за их относительно редкой способности настраиваться на различные длины волн в красной и ближней инфракрасной области электромагнитного спектра . Их также можно легко заблокировать по модулю . В этих лазерах синтетически полученный кристалл сапфира с примесями хрома или титана облучается интенсивным светом специальной лампы или другого лазера для создания стимулированного излучения .
Монокристаллический сапфир достаточно биосовместим, а исключительно низкий износ пар сапфир-металл привел к внедрению (в Украине) монокристаллов сапфира для эндопротезов тазобедренного сустава . [69]
Подробные таблицы, в которых перечислено более ста важных и знаменитых рубинов и сапфиров, можно найти в главе 10 книги « Рубин и сапфир: Руководство геммолога» . [5] : 380–395
