Ідентифікація та методи визначення фальсифікацій дорогоцінних металів та коштовного каміння

1. Метою ідентифікації дорогоцінного каміння є з’ясування його тотожності або подібності до групи однорідних, яка визначає його мінеральний вид (наприклад, чи є він корундом або берилом) мінеральний різновид (чи є він рубіном або сапфіром); походження (чи є він природний або синтетичний).

Діагностичні ознаки алмазу

Алмаз (від грецьк. "адамас" - неперевершений) - природний мінерал, який складається з кристалічного вуглецю, має щільне пакування атомів і у зв'язку з цим володіє високою густиною (3,51 г/см³). Алмаз - найтвердіший з усіх мінералів. При звичайних температурах – хімічно інертний, навіть найсильніші кислоти на нього не діють, але з підвищенням температури алмаз набуває хімічної активності. Алмаз не змочується водою, але прилипає до жирових сумішей. Алмаз розчиняється (окиснюється) тільки в розплавлених натрієвій та калієвій селітрах і соді.

Справжній алмаз ніколи не приймає тепла руки людини, скільки б його не тримали в руці. Теплопровідність алмазу при кімнатній температурі більша за теплопровідність срібла, металокерамічних твердих сплавів, надтвердих сплавів. Вона в 2-5 разів вища за метали.

Цікаво, що інші дорогоцінні камені, наприклад, рубіни, сапфіри - піддаються "хворобам". Вони втрачають свій колір та прозорість, і їх необхідно поновлювати через кожні сто років. Алмази не втрачають свого кольору і вигляду ніколи - вони невмирущі.

Незважаючи на виняткову твердість, алмаз під дією сильного удару легко розколюється за площинами, які розташовані паралельно до граней октаедра, він має чотири напрямки спайності.

Діагностичні властивості алмазу:

1. Колір – безбарвний, з відтінками зеленого, сірого, жовтого, фіолетового, чорного, синього, блакитного, рожевого кольорів або фантазійний. (Високо цінуються безкольорові алмази без відтінку, за винятком блакитного, і без дефектів - так звані "діаманти чистої води").

2. Густина – 3,51 г/см³.

3. Показник заломлення – 2,417.

4. Блиск – алмазний. (Високий показник заломлення (2,417) пояснює його яскравий, алмазний блиск. Від поверхні алмазу відбивається більше світла, ніж від будь-якого іншого природного безкольорового каменя, а в поєднанні з твердістю, винятково рівною поверхнею та високою якістю полірування граней підсилює чарівний "алмазний блиск", який притаманний тільки цьому каменю).

5. Висока гра світла. (Алмаз є лідером серед усіх відомих дорогоцінних каменів за силою "гри світла", яка виявляється незвичайним мерехтінням світла під дією освітлення. Така сила "гри світла" залежить від алмазного блиску (зовнішній блиск), ефекту повного внутрішнього відбиття (внутрішній блиск) та кількості рефлексів відбиття. Алмази огранюють таким чином, що практично все світло, яке входить до каменя через площинку, відбивається від граней денця, як від ряду дзеркал (промені повинні падати на них під кутом, який перевищує критичний, для алмазу він дорівнює 24,5 ), тому, якщо дивитися через гарно огранений діамант на світло, буде видно тільки крапку, яка світиться в калеті і нічого більше).

6. Плеохроїзм відсутній.

7. Дисперсія – 0,044.

8. Люмінесценція – слабка, блакитна, рожева, жовта, зелена.

9. Не змочується водою, прилипає до жирів.

10. Прозорість у рентгенівських променях.

Діагностика алмазу здійснюється інструментальними й органолептичними методами.

Найбільш важливими, у значному ступені визначними, естетичними перевагами алмазу, які спостерігаються при візуальному огляді, є:

• прозорість;

• складний ефект "алмазного блиску";

• дисперсія;

• мерехтіння вогню - "гра світла".

1. Візуальна оцінка даних властивостей здійснюється за допомогою таких характеристик:

> Підсилений "алмазний блиск". Від поверхні алмазу відбивається більше світла, ніж від будь-якого іншого безкольорового каменя. У справжніх алмазів яскравим блиском спалахує верхня грань, а нижня світиться металевим блиском.

> Спостереження відбиття без викривлення. Висока твердість алмазу надає можливість створити чіткі, рівні ребра та ідеально відполіровану поверхню, внаслідок цього при нахилі діаманта на його поверхні можна спостерігати відбиття форми предмета без викривлень.

> Повна відсутність зображення предмета крізь діамант. Якщо дивитися через діамант, який знаходиться в лапчастій обіймі каблучки на пальці руки, то побачити їх неможливо, через повне внутрішнє відбиття.

> Ілюзія значно меншої товщини каменя. При перегляді через площинку високий показник заломлення створює ілюзію значно меншої товщини каменя, ніж є насправді.

> Спалахи чистих кольорів спектра. Під дією променя білого світла діамант внаслідок дисперсії займається спалахами чистих кольорів спектра на більш дрібних гранях верхівки. Ці кольорові іскри в алмазі в поєднанні з винятковою прозорістю каменя є однією з головних діагностичних ознак.

2. Додаткові діагностичні ознаки, що встановлюються органолептично.

> Наявність найфів. При експертизі якості за допомогою лупи можливо виявити невеликі поверхні необроблених природних граней алмазу - найфів на боковинці.

> Включення графіту. Найбільш розповсюдженими включеннями є виблискуваті цятки графіту або інших форм вуглецю.

> Масляна плівка на поверхні. Алмаз добре змочується жирами, тому після того, як діамант брали руками, на його поверхні залишається масляна плівка.

> Алмаз завжди залишається холодним. Якщо камінь стає теплим у руці, то це - не алмаз.

> Діамант не пітніє. Якщо дихнути на камінь, - він "спітнів" і необхідно декілька хвилин зачекати, щоб він повернув свій прозорий вигляд, то це не діамант.

> Викривлення прямої смуги. На білому папері накресліть пряму смугу, покладіть на неї діамант, якщо зображення смуги не викривиться - то у вас імітація діаманта. Справжній діамант обов'язково "зламає" смугу.

Інструментальна діагностика алмазу

> Твердість – 10 за шкалою Мооса. Легко дряпає корунд. Для визначення справжнього алмазу ювеліри користуються гостро-заточеним алюмінієвими та магнієвими олівцями або голкою зі сталі. Якщо провести ними по блискучій грані алмазу, то на ній не залишиться ніякого сліду, тоді як на скляній стразі, або інших каменях, з'явиться срібляста смуга, яку добре видно в лупу. На звичайних каменях, якщо провести по них шкуркою-нульовкою залишаються смуги.

> Показник заломлення - 2,42. Крім алмазу існують ще 3 камені (природні), які мають високий показник заломлення на рефракто­метрі: циркон (1,926-1,985), демонтоїд (1,89), сфен (1,90-2,03). Усі три камені на рефрактометрі покажуть граничну величину -1,8. Але циркон - безкольоровий, а демантоїд - ізотропний. У зв'язку з великим подвійним заломленням циркону та сфену під лупою в них видно сильне роздвоєння граней денця, в демантоїді (зеленому гранаті, типові включення у вигляді "кінського хвоста".

> Флуоресценція. Більшість справжніх алмазів люмінесціює при 366 Нм. Синтетичні алмази люмінесціюють при короткохви­льовому випромінюванні (254 Нм). Зазвичай діаманти люмінес­ціюють блакитним кольором, інколи рожевим. За правилами ІДС, в експертному висновку вказують тільки інтенсивність люмінесценції, а не колір. Але на практиці вказують частіше й інтенсивність світіння (слабке, сильніше, чітке, сильне) і колір люмінесценції.

Колір люмінесценції та його інтенсивність є дуже важливою додатковою діагностичною ознакою, оскільки всі діаманти мають різні характеристики даних показників. Деякі діаманти зовсім не мають люмінесценції. Наприклад, якщо через 20 років необхідно відтворювати експертизу з метою встановлення факту підміни, то колір діаманта може дати зміни залежно від того, яким джерелом освітлювання користується експерт. У лампах денного світла і променях денного світла знаходиться різна частка ультрафіо­летових променів, які і зумовлюють зміну групи кольору. З метою вияву істини, камені піддають люмінесценції, яка не змінюється і дає достовірну інформацію.

Наявність різної інтенсивності люмінесценції дрібних каменів одного ювелірного виробу або її відсутність у деяких свідчить, що ці камені можливо є діамантами.

Якщо ми спостерігаємо рівний за інтенсивністю колір люмі­несценції, то радше це імітації діамантів. Явище фосфоресценції відмічено тільки для синтетичних алмазів.

В Америці діаманти, які мають флуоресценцію, продаються за ціною на 15% нижчою за інших, в країнах Азії вищою на 15-20%.

> Густина (питома вага) - 3,515 г/см³. Маса імітацій діаманта, яка відповідає 1 карату за геометричними параметрами справжнього діаманта складає відповідно: 1,45 Kt – титанат стронцію; 1,30 Kt - ітрий-алюмінієвий гранат; 1,60 Kt – кубічний оксид цирконію.

Маса діаманта розраховується за формулою Шарфенберга:

де Д - діаметр боковинки; Н - висота;К = 0,0061-0,0064 - коефіцієнт, що залежить від товщини боковинки діаманта.

Дана залежність маси від геометричних параметрів виявлена, виходячи з густини діаманта, яка дорівнює 3,515 г/см . Якщо ми маємо не діамант, а імітацію, то справжня маса (зважена на каратних вагах) та розрахункова будуть різними. Наприклад: маємо овальний прозорий камінь з брильянтовим огранюванням, високою боковинкою, параметри якого дорівнюють Д = 6,63; Н = 4,28; Д = 6,92. За формулою Шарфенберга отримуємо розрахун­кову масу: М = 6,63 х 6,92 х 4,28 х 0,0064 = 1,256 Kt. Справжня маса складає - 1,909, що засвідчує, що досліджуваний камінь не є діамантом.

Виходячи із залежності, що 1,256 - 3,52 —>• 1,909 - х

Тому визначувана густина каменя складає 5,35. Наш досліджуваний камінь знаходиться в діапазоні між 5,1 (фабуліт) та 5,5 (кубічний оксид цирконію).

> Колір - безкольоровий чистий та з відтінками, дуже рідко фантазійний - зелений, рожевий, синій, жовтий, чорний, сірий. Різниця між алмазами, які піддалися опроміненню, та природними "фантазійними" визначається в спектроскопі за смугами поглинання. Фотометричні вимірювання алмазу вперше було проведено в 1966 році проф. Ф. Шлосмахером та Б. Березонісом, які встановили, що головне поглинання алмазу відбувається при довжині хвилі 416 Нм ("кейпспектр"), який відповідає за жовтий відтінок [40]. Єдиний колір, який дуже рідко трапляється в природі та не отримано синтетичним шляхом, - це червоний. Тому найдорожчиий алмаз - це рожевий. Другий колір за рідкістю -зелений. Але колір природний зелений ближче до сіро-зеленого. Опромінені камені мають чистий зелений або блакитно-зелений колір. У природних зелених каменях трапляється зональність, а у синтетичних опромінених - однорідність за кольором. Зелені і рожеві алмази в природі опромінені, тому спектри поглинання як природних, так і опромінених алмазів однакові. Єдиними природними алмазами, колір яких змінюється залежно від вмісту елементів - домішок - це жовті і коричневі алмази (азот) та сині алмази (бор). В усіх інших алмазів колір змінюється шляхом викривлення атомної кристалічної ґратки (пояснюється її дефектністю).

> Подвійне заломлення. Майже всі алмази володіють под­війним заломленням, яке обумовлено внутрішньою напругою і дає картину яскраво забарвлених плям, які змінюються темними смугами.

Особливо чітко цей ефект виявляється в діаманті в напрямку боковинки. Аномальне подвійне заломлення також мають синтетична шпінель та скло.

> Прозорість у рентгенівських променях. Виняткова про­зорість алмазу у рентгенівських променях, у порівнянні з іншими імітаціями, дає змогу легко визначити алмаз за допомогою рентгенівських установок.

> Теплопровідність. Серед інших відомих матеріалів алмази володіють найвищою теплопровідністю, яка в 2-5 разів перевищує теплопровідність міді і срібла - кращих металевих провідників тепла - при температурі 300 К. Суттєвий вплив на теплопровідність при температурі 300 К чинять домішки азоту у вигляді точкових дефектів. У природних алмазів, що містять парамагнітний азот, теплопровідність значно змінюється в максимумі, але при температурах порядку 300 К та вище ця домішка невеликої концентрації суттєво не впливає на теплопровідність.

Більшість синтетичних алмазів містять азот у вигляді атомарної домішки заміщення. Концентрація парамагнітного азоту в них може змінюватися в широких межах: теплопровідність синтетичних кристалів у максимумі переважає значення, які отримані для найчистіших алмазів.

В алмазів, які піддались опромінюванню, спостерігається зниження теплопровідності; теплопровідність опромінених алмазів поновлюється після високотемпературного обпалювання. Теплопровідність алмазу визначається спеціальним прибором, за допомогою якого алмаз відрізняється від імітацій.

> Включення. Більша частина алмазів має включення, які за складом є мінералами. До більшості відомих включень алмазу можна віднести чорні включення магнетиту та графіту, темно-чорні зерна хромової шпінелі та піропу, зеленого діопсиду та енстатиту, а також безкольорові кристали алмазу. У синтетичних алмазах включення - це залишки металевого розплаву у вигляді пилинок, стрижнів, голок, включень нерегулярної форми та кубооктаедрів. Під дією світла, яке крізь них проходить, вони мають чорний колір, непрозорі. При світлі, що падає зверху, виявляються їх блиск, як від срібла та золота. Розпізнання природи їх появи можливо за допомогою експрес-методу: магніту, який притягує діаманти, до складу яких входять металеві включення, або використовуючи метод феромагнітного резонансу. Це є додатковою діагностичною ознакою і засвідчує, що ми маємо справу з виробом синтетичного походження.

Імітації алмазу

Першими штучними діамантами слід вважати "алмази дю Тампаль", які були отримані при обробці скла в паризькій майстерні Г. Дарса (XVIII в.). В історії відомі також "діаманти Страса", які були отримані Жоржем Фредериком Страсом. Вони виготовлялися з прозорої скляної маси, до складу якої входили оксиди свинцю. Пізніше на честь Страса їх назвали "стразами". Нині так називають імітації дорогоцінних каменів зі скла.

До імітацій, які отримані хімічним шляхом і використовуються в ювелірній промисловості як вставки та за своїми зовнішніми ознаками нагадують алмаз, відносять:

Ø ітрій-алюмінієвий гранат (ІАГ),

Ø лінобат, титанат стронцію (фабуліт),

Ø синтетичний рутил,

Ø стабілізовані кубічні оксиди цирконію - кубічний оксид цирконію (KSZ), (джеваліт), цирконій, фіаніт,

Ø синтетичний муассаніт (moissanitc).

Ітрій - алюмінієвий гранат (ІАГ) - Y3AI5O2. Назву дана речовина отримала тому, що кристалічне розташування атомів ІАГів нагадує природні гранати. За хімічним складом ІАГ -алюмінат ітрію, який за властивостями дуже схожий на алмаз, оскільки він ізотропний, має високу твердість та завдяки високому показнику заломлення сильну "гру світла". Проте ІАГ легко розпізнати завдяки тому, що крізь нього розглядаються предмети на відміну від алмазу (табл. 4.7). В промислових умовах кристалізація ІАГ здійснюється з розплавів методом Чохральського, спрямованою кристалізацією (методом зонного плавлення), та в меншому ступені з розчину в розплаві. ІАГи, що вирощені з розплаву, мають внутрішні дефекти у вигляді газових та твердих включень, відмічається шаруватість, блочність, наявність тріщин. Діагностика ІАГу не викликає великих труд­нощів. Масу розраховують за формулою Шарфенберга, а потім зважуванням на каратних вагах, отримують фактичну масу.

При порівнянні отриманих даних, визначаємо густину, яканадає можливість точно встановити імітацію. За даними Р. Вебстера, ІАГи, леговані рідкоземельними елементами, мають яскраву люмінесценцію при довгохвильовому ультрафіолетовому випромінюванні. ІАГи без домішок безкольорові. Введення домішок дозволяє отримати різноманітні кольори каменя, наприклад, домішка хрому надає зеленого кольору, кобальту - синього, марганцю - червоного, титану -жовтого. Безкольорові ІАГи використовуються як імітації алмазу, зелений схожий на демантоїд, його візуально відрізнити дуже важко.

> Лінобат - LiNb0₃, виробляється винятково в США. Це, надто м'який матеріал, який на поверхні залишає глибокі подряпини. Внаслідок "шовковистого" вигляду, що обумовлено досить високим подвійним заломленням і низькою твердістю, він є однією з найменш цінних імітацій діаманта. Кольорових відтінків йому надають домішки хрому, нікелю, кобальту, заліза. Внаслідок високого подвійного заломлення нінобат літію може бути прийнятим за циркон, але за цією ж ознакою його легко відрізнити від алмазу та демантоїду.

> Титанат стронцію (фабуліт) - SrNiOv Кристали фабуліту вперше отримані в США в 1953 р. Відмічаються високі оптичні характеристики: повний збіг показника заломлення з алмазом, висока дисперсія, в 4 рази вища за діамантову, яскрава "гра світла". При перегляді крізь площинку ограненого фабуліту предмета не видно.

Внаслідок низької твердості (6), ребра ограненого фабуліту трохи закруглені.

На відміну від алмазу фабуліт у рентгенівських променях майже непрозорий. Отримують методом Вернейля.

> Синтетичний рутил - це стабілізований оксид титану, характеризується винятково високим показником подвійного заломлення (+0,287) та екстремальною дисперсією (- 0,330), яка в 6 разів перевищує дисперсію діаманта і обумовлює сильний перелив кольорів. Крізь площинку рутилу предмета не видно, але його поверхня відрізняється жирним блиском внаслідок великого подвійного заломлення, тоді як в діаманті грані тверді та чисті. Яскрава "гра кольорів" каменя та невелика твердість (6) нагадують дешеву скляну біжутерію. Для його вирощування використовують метод Вернейля. Одним з самих великих недоліків, внаслідок чого він має обмежене використовування, -жовтий відтінок.

> Стабілізовані кубічні оксиди цирконію: KSZ, джеваліт, цирконій, фіаніт. Наразі найбільш популярний із всіх синтетичних матеріалів, що імітує алмаз, є фіаніт. Вперше кристали фіаніту були вирощені в середині 60-х р. у Фізичному інституті ім. Лебедева АН СРСР (ФІАН). При введенні хромофорних домішок фіаніт забарвлюється в різноманітні кольори. Наприклад, домішка європію надає фіаніту рожевого кольору, заліза - жовтуватого, кобальту - темно-лілового, ванадію - зеленого, міді - жовтого, ітрію -яскраво-червоного. Сьогодні в Росії розроблена технологія отримання непрозорих білих, рожевих, чорних різновидів фіаніту, які використовуються як імітації перлів, чорного халцедону, чорного алмазу. Стабілізовані кубічні оксиди цирконію мають показник заломлення близький до алмазу (1,17-2,18), тому візуально важко розрізнити ці мінерали. Найбільш надійний метод розпізнання за тією властивістю, що алмаз надзвичайно прозорий у рентгенівських променях порівняно з імітаціями цирконію. Якщо є можливість дослідити дорогоцінний камінь окремо, то, використовуючи формулу Шарфенберга та враховуючи видимість смуги крізь площинку, отримаємо потрібні докази для встановлення істини.

Різні назви оксиду цирконію пов'язані із незначними змінами в хімічному складі та країнами, які їх виробляють. Високий показник заломлення, більш висока, ніж в алмазу, дисперсія - 0,06, твердість - 8,5 у поєднанні з прозорістю та відсутністю кольору забезпечують йому 1 місце в ряду імітацій алмазу.

>Синтетичний муассаніт - прозора, безкольорова штучна імітація алмазу, має майже однакову з алмазом густину, подібну твердість та більшу дисперсію.

Спочатку муассаніт було синтезовано, а потім відкрито в природі та детально вивчено. Монокристалічний напівпровідниковий і ювелірний карбід кремнію вирощується за методом сублімації. Найбільш розповсюдженим типом включень, що дозволяє відрізнити ограновані вставки муассаніту від алмазу, є наявність ниткоподібних порожніх світлих каналів росту, що вкриті всередині борошняним нальотом. Трапляються комбіновані включення типу мінерал плюс канал росту. Муассаніт має характерний спектр поглинання в фіолетовій частині спектра (420-430 нм) і смугами з максимумами близько 480 і 840-870 нм. У пофарбованих різновидах муассаніту є додаткові піки поглинання. Муассаніт внаслідок його анізотропності та високої дисперсії характеризується роздвоєнням ребер огранованої вставки, чим і відрізняється від діаманта.

Як імітації природних каменів здавна використовувалося різне штучне скло - "стрази". Найбільш важливими ідентифікаційними ознаками скла є включення газових пухирців, аномальне подвійне заломлення, раковинноподібний злам, показник заломлення та густина, включення у вигляді "свілі".

Як імітації діамантів використовуються різні за своїми влас­тивостями штучні та синтетичні камені, що передбачає різні способи їх ідентифікації. Але найбільш точними методами діагностики є визначення густини, яку отримуємо за формулою Шарфенберга, порівнюючи фактичну та розрахункову масу, і перевірка видимості смуги через площинку каменя.

Ці камені ідентифікуються й за теплопровідністю, а в разі необхідності і відбивною здатністю. Для визначення цих показ­ників використовуються різноманітні моделі діамантових індикаторів.

До імітацій діаманта можливо віднести безкольорові природні дорогоцінні камені, такі як лейкосапфір, фенакіт, данбурит, топаз, циркон, кольорові камені - сфен, демантоїд, а також штучне скло.

Камені з показниками заломлення нижчими ніж 1,8, ідентифікуються шляхом визначення їх оптичного характеру та величини показника заломлення на рефрактометрі. Вивчення особливостей їх структури та будови здійснюється за допомогою мікроскопа.