Door Els van Velzen
Synthetische stenen
Edelstenen werden tot eind 18e eeuw alleen gedragen door de adel en de kerkelijke hoofden. Tot eind 19e eeuw vond men edelstenen magische wonderen. In de loop van de 19e eeuw kreeg men meer kennis over chemie en scheikunde en gingen geleerden proberen edelstenen die in zoveel mogelijk opzichten gelijk waren aan de natuurlijke na te maken.
Synthetische stenen hebben dezelfde chemische en fysische eigenschappen als de echte steen die ze nabootsen. Daardoor is het vaak moeilijk om het verschil te zien.
Vooral synthetische korunden worden meestal nog eens nabewerkt om er fingerprints in te brengen, de kleur te verbeteren of er sterstenen van te maken.
Hoe herkennen we syntheses?
In natuurlijke robijnen, saffieren en andere edelstenen zitten vaak allerlei soorten natuurlijke insluitsels die soms afhankelijk zijn van de vindplaats.
In synthetische stenen kunnen ook diverse soorten insluitsels voorkomen!
In flame-fusion stenen vindt men kromme groeilijnen, gasbelletjes (soms als wolkjes) en ook wel brokjes en sliertjes niet gekristalliseerde kleurcomponenten.
In Flux melt syntheses komen voor:
*Glissen die gevuld zijn met flux materiaal,
*Breuken en geheelde breuken,
*Verschillende vormen van kleurzonering,
*Chevron structuren ( V-vormig) ( vaak in synthetisch topaas) en insluitsels die er uit zien als de staart van een komeet,
*Metaalschilfers van de kroezen waarin ze groeien (dit met uitzondering van de Ramaura stenen),
In alle flux syntheses kunt u niet gesmolten flux materiaal tegenkomen. Vooral bij robijn licht dat, bij een goede belichting, oranje-geel op.
Bij inwendige breuken ziet het oppervlak er vaak uit als de huid van een 80-jarige, ook dit met een goede belichting.
Vaak zijn er vlagachtige wittige vleugen die te onregelmatig op elkaar staan om als fingerprints betiteld te worden.
Terwijl ik dit verhaal schrijf kunt u er zeker van zijn dat er iets wordt uitgevonden om syntheses te verbeteren of nog mooier te maken. Voor juweliers en goudsmeden is het dus van groot belang de vakliteratuur te volgen en altijd op de hoede te zijn.
Er zijn verschillende methodes om syntheses te maken.
Verneuil
In Europa was het professor Auguste Victor Louis Verneuil die in 1902 de eerste ‘man made’ steen af had. Die had niet alleen de chemische samenstelling en de kristalstructuur maar ook de kleur en de helderheid van de natuurlijke steen en vooral een kristal dat groot genoeg was om te slijpen.
Hij vond de ‘flame-fusion’ oven uit die we sinds die tijd de Verneuil oven noemen en in iets modernere variant nog steeds gebruikt wordt.
In 1903 is Djevahirdjian met Verneuil gaan samenwerken en tot op de dag van vandaag is Djeva de belangrijkste producent in Europa van synthetisch korund, spinel en cubic zirkonia van een hoge kwaliteit.
Korund, een belangrijke steen die heel vaak via deze methode wordt nagemaakt heeft als basis ingrediënt alluminium : AL2O3.
Dit wordt in poedervorm in het bovenste bakje gedaan, dat een zeefje in de bodem heeft. Bovenop zit een hamersysteem dat er voor zorgt dat het poeder regelmatig naar beneden valt.
Door pijp O wordt zuurstof aangeblazen en door pijp H waterstof. Dat vormt samen een knalgas dat bij verbranding een vlam van 2000 graden geeft.
Het alluminium smelt daardoor en valt druppel voor druppel op een tafeltje onderin dat van een speciale kleisoort is gemaakt.
Door dit druppelsgewijze vallen ontstaat er een peervormig kristal dat we ‘boule’ noemen. Een boule van 25 x 6 mm groeit in ca 2 uur, het duurt 2 dagen om een boule van 70 x 40 mm te maken.
De twee belangrijkste stenen die volgens deze methode gemaakt worden zijn korund ( robijn, saffier en andere kleuren), spinel en sinds eind jaren ’80 cubic zirkonia.
Door de manier van groeien ontstaan er gebogen kleurbanen ofwel groeilijnen en, zeker bij de oudere verneuilstenen, zitten er wolkjes gasbelletjes in.
Fluxmelt
Naast de flame fusion methode zijn er nog andere manieren om syntheses te maken. Bijvoorbeeld in een Fluxmelt. (sinds 1963). Heel simpel uitgelegd is dat een bak met een flux (vloeistof) van lood oxyde met boron oxyde waarin de ingrediënten voor korund met de toevoeging voor de kleur worden opgelost. Dit gebeurt bij een temperatuur van 1300 graden. Gedurende 8 dagen wordt de temperatuur ieder uur met 2 graden verlaagd waardoor kristallisatie ontstaat. Na die 8 dagen is de robijn of saffier gekristalliseerd en de flux nog vloeibaar en kunnen de kristallen eruit gehaald worden. Deze kristallen zijn heel erg zuiver en worden o a gebruikt voor het maken van lasers.
Czokralski
Met de Czokralski trek-methode worden kristallen gemaakt van de hoogste kwaliteit.
In een bak van iridium, dat tot 2400 graden verhit kan worden wordt AL2O3 gedaan; dit smelt bij 2050 graden. Via een ingewikkeld systeem wordt de temperatuur een paar graden hoger gehouden. Een basiskristal van een paar millimeter wordt tegen de oppervlakte van de smelt gehouden. Daarbij is de juiste temperatuur heel belangrijk: een paar graden te hoog veroorzaakt het smelten van het ‘zaadkristal’, een paar graden lager en de smelt begint te stollen. Als de temperatuur precies goed is kan het trekproces beginnen waarbij het zaadkristal aangroeit. Op deze manier wordt o a synthetisch korund, Yag en GGG gemaakt.
Hydrothermale groei op zaadkristallen
Hoe werkt dat? Stel je voor dat je een stalen fles voor ca 85% vult met water en luchtdicht verzegelt. Als de fles verwarmt wordt gebeurt er tot 100 graden niet zoveel.
Als het heter wordt gaat het water koken en daardoor ook verdampen, waarbij de druk in de fles toeneemt. De verhoogde druk veroorzaakt weer een verhoging van de temperatuur waardoor het koken van het water stopt maar de verdamping doorgaat.
Bij ca. 200 graden is al het water verdampt. De stoom wordt superheet en de druk in de fles stijgt heel sterk. Bij 300 graden is de druk al 1400 bar (10.000 kilo op 5 vierkante centimeter).
Wordt de fles nog meer verhit dan klapt hij uit elkaar. Deze flessen heten ‘auto-claves’ of ook wel bommen. Die naam is niet voor niets ontstaan; bij vroegere experimenten zijn er diverse auto-claves ontploft.
Als de auto-claves gevuld worden met de chemische ingrediënten van korund dan zal door de combinatie van hoge temperatuur en hoge druk kristallisatie ontstaan.
Sinds 1995 maakt de Pairus Joint Venture robijn, saffier en andere kleuren korund met deze methode.
Kashan en Chatham gebruiken zaadkristallen om smaragd op te laten kristalliseren. Deze worden zorgvuldig geselecteerd op maat en vorm waardoor de groei tot in perfectie gecontroleerd kan worden. Vaak zijn de zaadkristallen ook synthetisch.
Zowel bij hun smaragd als bij hun robijn komen vlagachtige insluitsels en metaalinsluitsels voor.
Ramaura gebruikt geen zaadkristallen waardoor de kristallisatie langer duurt en er weinig fouten in het kristalrooster ontstaan. Hun stenen zijn ongebruikelijk transparant en hebben weinig insluitsels, alleen soms wat metaalkristallen..
Deze syntheses moeten altijd van alle kanten bekeken worden, ze lijken heel zuiver maar bekijkt men ze schuin van onderaf dan zijn er vaak wel groeilijnen te zien die breder zijn dan die bij de natuurlijke.