dr Włodzimierz Łapot
Laboratorium Gemmologiczne Uniwersytet Śląski
Upiększanie kamieni jubilerskich przez nakładanie na nie powłok (tzw. cienkich warstw) ma tradycję sięgającą starożytności. Najstarsze metody nie były zbyt skomplikowane i przez to dość łatwo wykrywalne. W najprostszej wersji powlekano kamień substancją barwną (barwienie powierzchniowe) lub nasycano kamień barwnym pigmentem (impregnacja powierzchniowa). Bardziej skomplikowane, wymagające już odpowiednio większych umiejętności, polegały na użyciu technologii emaliowania. Jednak zarówno tych całkiem prostych metod upiększania kamieni, jak i tych bardziej skomplikowanych, nie można porównywać z najnowocześniejszymi osiągnięciami w tej dziedzinie.
Plazmowe upiększanie kamieni
Dzięki postępowi naukowo-technicznemu ostatnich lat stało się możliwe wdrożenie do codziennej praktyki zupełnie nowych metod powlekania kamieni jubilerskich. W pierwszym rzędzie chodzi o cienkie powłoki nakładane plazmowo. Umożliwiają one uzyskanie niespotykanych wcześniej właściwości fizycznych kamieni jubilerskich, w szczególności optycznych, a w konsekwencji i estetycznych (fig. 1).
Zimna i gorąca plazma
Wśród wielu stosowanych współcześnie sposobów nakładania powłok, czyli tzw. cienkich warstw, na różne materiały celem uzyskania określonych zachowań fizycznych i chemicznych, szczególną użyteczność w traktowania kamieni jubilerskich pokazały metody plazmowe (zimna plazma). Warto przypomnieć, że zimna plazma to zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz (fig. 3), złożona zarówno z elementów naładowanych elektrycznie (jonów, elektronów), jak i obojętnych elektrycznie (atomów, cząsteczek). Prócz zimnej istnieje też plazma gorąca. Plazma traktowana jest jako czwarty stan skupienia materii. W warunkach ziemskich występuje rzadko.
Można ją spotkać w wyładowaniach atmosferycznych, w płomieniu, w łuku elektrycznym oraz w tzw. lampach wyładowczych (lampy rtęciowe, lampy neonowe). W tych ostatnich wysoką temperaturę mają tylko elektrony, podczas gdy pozostałe składniki plazmy mają temperaturę zbliżoną do pokojowej. Znajduje to szerokie zastosowanie praktyczne. Gorące elektrony wywołują bowiem różne reakcje przy równoczesnym zachowaniu stabilności powstających związków. W wysokiej temperaturze związek taki natychmiast by się rozpadł. Jeśli odpowiednie substraty, przeważnie w postaci gazu lub pary, umieści się w pojemniku próżniowym zwanym reaktorem plazmowym i spowoduje ich jonizację (fig. 3), to z wytworzonej plazmy osiądą na chłodniejszych powierzchniach warstwy mające różne atrakcyjne właściwości (optyczne, termiczne, elektryczne, magnetyczne, izolacyjne, mechaniczne, chemiczne itp.).
Pozwala to tworzyć na różnych przedmiotach warstwy amorficzne, polikrystaliczne, monokrystaliczne bądź mieszane o projektowanej grubości i składzie, a przez to o oczekiwanych właściwościach. W takich przypadkach najczęściej brana jest pod uwagę tzw. cienka warstwa, czyli mikronowej grubości powłoka zapewniająca uzyskanie określonych zachowań pokrytego nią materiału. Odpowiednio do charakteru procesu tworzenia się owej warstwy metody plazmowe dzielone są na: CVD (chemical vapour deposition) i PVD (physical vapour deposition).
Metody plazmowe pod lupą
Metoda CVD polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej określonych substratów i zmuszeniu ich do pożądanych reakcji chemicznych. W tradycyjnych technikach CVD wymuszenie oczekiwanych reakcji chemicznych wymaga stosowania dość wysokich temperatur (zwykle od 800 do 1300ĄC), co wyklucza z obszaru ich stosowalności materiały bardziej wrażliwe termicznie. Dla wygenerowania określonych powłok stosuje się różne substraty gazowe i ciekłe, które zwykle nazywa się prekursorami. Mogą być nimi: wodorki, halogenki, karbonylki, a także lotne związki metaloorganiczne, krzemoorganiczne itp. Prekursory doprowadzane są do reaktora plazmowego za pomocą tzw. gazów nośnych obojętnych, na przykład argonu, helu oraz/lub gazów nośnych, takich jak na przykład azot, metan, wodór, amoniak bądź ich mieszaniny. W niektórych przypadkach mogą one brać także udział w reakcjach chemicznych prowadzących do osadzenia cienkiej warstwy.
Wytwarzanie cienkiej warstwy metodą PVD polega na bombardowaniu powierzchni traktowanego przedmiotu strumieniem zjonizowanej plazmy, utworzonej najczęściej z jonów metali, takich na przykład jak tytan, wanad, tantal, cyrkon, chrom, molibden, wolfram, niob lub z ich związków. W tej roli mogą czasem występować także gazy reaktywne, na przykład takie jak azot czy tlen oraz takie pierwiastki, jak węgiel, bor czy krzem. Nanoszenie powłok prowadzić można na zimno lub w relatywnie niskich temperaturach, nieprzekraczających zwykle 500ĄC.
Metoda PVD umożliwia powlekanie materiałów termicznie wrażliwych. Dla uzyskania dobrej przyczepności nakładanej powłoki bardzo istotnym jest uzyskanie dużej czystości pokrywanej powierzchni, gdyż połączenie nowo tworzonej warstewki z podłożem ma głównie charakter adhezyjny. Dlatego też zawsze stosuje się chemiczne (zgrubne) i/lub jonowe (dokładne) czyszczenie powierzchni materiału, na który ma być nałożona powłoka PVD.
Spojrzenie w przeszłość
Nowoczesne techniki powlekania kamieni jubilerskich pojawiły się już parę lat po zakończeniu II wojny światowej. I nie był to bynajmniej przypadek. Używano ich bowiem już wcześniej do ulepszania szkieł wojskowych przyrządów optycznych, na przykład peryskopów, dalmierzy czy lunet. E. J. Güelin, bodaj najbardziej znany szwajcarski gemmolog, jako pierwszy wypowiedział się bardzo obszernie o ówczesnym plazmowym nakładaniu powłok na kamienie jubilerskie celem poprawy ich barwy, brylancji i przepuszczalności światła. Zrobił to w artykule “New process of artificially beautifying gemstones” ogłoszonym na łamach “Gems & Gemology”, v. 6/8 w 1950 roku. Brylanty o barwach fantazyjnych również mogą być w ten sposób poprawiane, ba, nawet tworzone przez plazmowe nakładanie odpowiednio dobranych powłok barwnych. Potrafiono to już skutecznie robić w latach sześćdziesiątych minionego wieku. Jednak do lat dziewięćdziesiątych były one raczej ciekawostką gemmologiczną niż realnym zagrożeniem rynku jubilerskiego.
Do zmiany sytuacji doszło wraz ze wzrostem zainteresowania brylantami o barwach fantazyjnych. W rezultacie pod koniec lat dziewięćdziesiątych różowy diament, budzący bodaj największe zainteresowanie nabywców, stał się pierwszym, który zaczął być dość często traktowany plazmowo. W następnych latach zaczęły być traktowane tym sposobem także brylanty o innych barwach fantazyjnych.
Współczesne zastosowanie
Ostatnie lata przyniosły całkiem nowe pomysły wykorzystania plazmowych metod komponowania powłok na kamieniach jubilerskich. Przy ich pomocy tworzone są bowiem dziś barwy i efekty optyczne niespotykane w naturze (w kamieniach naturalnych). Z realizacji pomysłów tego rodzaju szczególnie znane są dwie firmy amerykańskie: powstała w 1991 roku Azotic Coating Technology, Inc. z Rochester w Minnesocie i młodsza o blisko dziesięć lat Serenity Technologies, Inc. z Temecula w Kalifornii. Najbardziej znanymi rynkowo produktami Azotic Coating Technology, sprzedanymi zresztą już w milionach karatów, są topazy i kwarce powlekane tlenkiem tytanu, zwane popularnie “mystic topaz”, “mystic fire topaz” oraz “mystic kwarc”. Kamienie te wykorzystywane są jubilersko w designerskiej biżuterii (fig. 4, 5). Innym ciekawym pomysłem jest wykorzystywanie w tym celu powlekanych plazmowo drobnokrystalicznych druzowych postaci minerałów, na przykład kwarcu (fig. 6). Dużo mniej znane jest natomiast to, że tego rodzaju powłoki stosowane są względem znacznie szerszej gamy kamieni naturalnych, na przykład względem berylu, szafiru, rubinu, kunzytu, labradoru czy kamienia słonecznego, a także względem kamieni syntetycznych, na przykład cyrkonii, moissanitu czy szkieł. Najbardziej znanym rynkowo produktem firmy Serenity Technologies są Serenity Colored Diamonds tworzone przez plazmowe traktowanie diamentów naturalnych bądź syntetycznych z zamiarem nadania im atrakcyjnej wizualnie barwy. Aktualnie nakładane są na nie powłoki generujące barwy różowe, czerwone, pomarańczowe, zielone, fioletowe i niebieskie. Bodaj równie znanym produktem firmy Serenity Technologies są traktowane plazmowo cyrkonie o handlowej nazwie Diamantine i Black Diamantine. Podobnemu traktowaniu poddawany jest również moissanit, kolejny ważny produkt tej firmy. Zupełnie oryginalnym pomysłem Serenity Technologies jest traktowany plazmowo bezbarwny cyrkon (tzw. matura diamond). Rezultatem jest znaczne upodobnienie go do brylantu.
Diamentowe powłoki nanokrystaliczne nakładane są również na inne minerały, na przykład na apatyt czy szmaragd. Z kolei traktowany plazmowo topaz, występujący pod nazwą handlową Sakura Topaz, wykazuje spore wizualnie podobieństwo do “mystic fire topaz” firmy Azotic Coating Technology. Stało się to zresztą powodem sporu prawnego między obu firmami, choć technologicznie oba produkty zasadniczo się różnią (fig. 7). Aktualnie mnożą się firmy oferujące usługę plazmowego powlekania kamieni jubilerskich, zwłaszcza brylantów, w tym także powłokami barwnymi. Już za kilkadziesiąt dolarów można bez większego trudu zlecić “przerobienie” bezbarwnego brylantu w atrakcyjnie barwny na przykład nowojorskiej firmie Prism Gem.
Fig. 1a. Powlekany plazmowo kwarc (mystic quartz) firmy Azotic Coating Technology
Fig. 1b. Powlekany plazmowo topaz (mystic topaz) firmy Azotic Coating Technology
Fig. 1c. Powlekany plazmowo topaz (mystic fire topaz) firmy Azotic Coating Technology
Fig. 5. Powlekany plazmowo topaz firmy Azotic Coating Technology w designerskiej biżuterii
Fig. 6. Powlekana plazmowo tytanem drobnokrystaliczna druzowa postać kwarcu firmy Azotic Coating Technology w designerskiej biżuterii
Fig. 3. Reaktor plazmowy CVD (chemical vapour deposition)
Fig. 2. Niebieskawa struga plazmy wygenerowana w reaktorze plazmowym PVD (physical vapour deposition)
Fig. 7. Struktura powłoki plazmowej nakładanej na Sakura Topaz w firmie Serenity Technologies
