Шпинель применяется в основном в ювелирных изделиях (рис. 2). В связи с этим в состав смеси вводят различные окрашивающие примеси металлов, в том числе трехвалентный хром, который придает камням красный или сочный густой зеленый цвет. Зеленую шпинель ювелиры на­зывают бразильским турмалином, также иногда называют голубовато-зеленую шпинель, очень похожую на аквамарин.

Рис. 2. Вставки из синтетической шпинели

3.2. Синтетический берилл (изумруд)

В середине прошлого века при нагревании порошка природного изумруда в боросиликатном расплаве получили несколько кристаллов изумруда призматической формы. Дальнейшие работы в области синтеза изумруда связаны с исследованием метода кристаллизации из расплавов компонен­тов, составляющих изумруд, с применением различных флюсов – окисей лития, молибдена и др. До 50-х гг. XX в. синтез изумрудов исследовался в лабораторных условиях. Первый коммерческий изумруд был изготов­лен К.Ф. Чатэмом (США), а позже П. Жильсоном (Франция).

В настоящее время известен ряд промышленных методов выращивания синтетических изумрудов, применяемых в СССР, США, Японии, Фран­ции, ФРГ и других странах. Известны синтетические изумруды типа – "Эмерита" или "Симеральд", изготовляемые в Австрии. Они представляют собой ограненные вставки из светлого берилла, на которые наращен слой синте­тического изумруда толщиной 0,3 мм. Цвет их бледно-зеленый.

Фирмы "Чатэм" (США) и "Жильсон" (Франция) выпускают синтетические изумруды типа "Эмеральз", выращенные из раствора в расплаве с флю­сом на затравку из пластин берилла. В качестве флюса применяют окиси лития и вольфрама или окиси лития и молибдена. Процесс синтеза проте­кает очень медленно – в течение месяца наращивается слой толщиной в 1 мм.

Рис.3. Схема установки для выращивания изумру­дов:

1 – растворитель; 2 – ци­линдрический платиновый стакан; 3 – смесь из двух компонентов; 4 – затра­вочное устройство; 5 – платиновая отбойная пла­стина; 6 – третий компо­нент; 7 – платиновый ти­гель.

В последние годы получил развитие гид­ротермальный метод синтеза изумрудов, при котором рост кристалла изумруда осуществ­ляется также на затравку из природного бе­рилла при температуре 500 – 600 °С, давлении 70 – 140 МПа с заполнением автоклава распла­вом на 2/3 объема. Скорость роста кристал­лов 0,8 мм/сутки. Этим методом выращивают­ся изумруды фирмой "Линда" (США). Более точная технология и условия синтеза изумру­дов фирмой не публикуются и считаются коммерческой тайной фирмы.

Интересен метод синтеза изумруда, разра­ботанный японскими исследователями Хиронаса и Сэйдзо. Установка представляет собой платиновый тигель с горизонтальной платино­вой отбойной перегородкой. Нижняя часть тигля разделена цилиндрической платиновой стенкой (рис. 3). Смесь из любых двух ком­понентов (SiO2, A12O3, ВеО2) помещают в кольцевое пространство, третий компонент – в центральную часть. В верхней части отбой­ной перегородки размещают затравочные кристаллы. Затем в реактор вво­дят растворитель из молибдата лития или пятиокиси ванадия и всю систе­му равномерно нагревают до температуры выше точки плавления каждого из компонентов смеси. Когда температура каждой из изолированных ком­понентов смеси становится выше точки плавления растворителя, начинает­ся плавление. В результате диффузии компоненты поднимаются к затра­вочным кристаллам, проходят через отбойную перегородку и смешивают­ся в верхней части. После этого начинается процесс роста изумрудов на затравках.

Далее расплав выдерживают при постоянной температуре в течение определенного времени, затем медленно охлаждают, массу извлекают из тигля и растворяют в воде, где в качестве растворителя применяют молиб­ден лития, или в соляной кислоте, если растворителем служит пятиокись ванадия. В результате получают прозрачные бесцветные кристаллы, не отличающиеся по физическим, химическим свойствам от природного изумруда. Красивый зеленый цвет достигают добавлением небольшого количества в раствор окиси хрома. Японская фирма «Киоте Керамик и К°» этим методом изготавливает около 300 карат в год синтетических изум­рудов. Успешно выращиваются изумруды в СССР, этим занимаются научные лаборатории Новосибирского университета.

3.3. Синтетический кварц

В настоящее время кварц выращивают гидротермальным способом в стальных автоклавах. Растворителем сырья природного кварца служат растворы гидроокисей и карбонатов щелочных металлов – натрия или калия в концентрации от 3 до 15%. Синтез проводят при давлении 50 – 150 МПа при температуре 250 – 450 °С. Для затравки используют пластины или стержни природного кварца, которые ориентируют параллельно кри­сталлографическим плоскостям (0001) и (1120). Скорость роста кристал­лов – до 0,5 мм/сутки. Было установлено, что если в калиевые расплавы ис­ходного раствора с низкой концентрацией калия добавить железо, то об­разуются бурые кристаллы, при более высокой концентрации калия – зеленые.

При синтезе кварца в системе Н2О – SiO2 – К2О – СО2 с добавкой окислителей при давлении 150 МПа зеленая и бурая окраска изменяется на золотисто-желтую-цитриновую. Появление такой окраски за­висит от концентрации ионов трехвалентного железа в растворе. При даль­нейшем увеличении концентрации железа кристаллы становятся оранжево-красными.

Синюю окраску кристаллов получают, вводя в систему Н2О – SiO2 – Na2O – CO2 кобальта. Густота окраски зависит от содержания кобальта: в голубых кристаллах его до 0,001 %, а в ярко-синих до 0,02 %.

Аметистовую окраску получают при выращивании кристаллов в калиевой системе при температуре 320 –420 ºС и давлении – 1000 – 1400 • 105 Па. Если в систему Н2О – SiO2 – К2О – СО2 ввести избыточное количество трехвалентного железа и снизить содержание примеси алюми­ния, то кристалл становится дымчатым. После ионизирующего облучения цвет кристаллов становится прочным аметистовым. Введенный в систему алюминий частично замещает кремний, в результате после ионизирующего облучения кристалл кварца приобретает дымчатую окраску, типичную для раухтопаза. При увеличении концентрации алюминия можно получить черную окраску, подобную цвету мориона.

Цветной синтетический кварц широко применяется в ювелирной промышленности, а бесцветные от разности в технике: радиоэлектронике, оптике, химической промышленности. В СССР налажено промышленное производство синтетического кварца.

3.4. Синтетический рутил

Присутствием примесей в природных кристаллах рутила объ­ясняется его темный цвет. В результате проведенных исследований в фир­мах "Линда" и "Националь Лед и К0" (США) в 1948 году разработали способ выращивания синтетического рутила по методу М. А. Вернейля. Получают кристаллы черного цвета, но после отжига в струе кислорода при низкой температуре они становятся почти бесцветными или приобретают желтова­тый оттенок.