Наносинтетика или ювелирный ситалл

Самопроизвольная кристаллизация стекла – процесс, как известно, нежелательный, ведь после кристаллизации изделие теряет внешнюю привлекательность, прочность и вообще может разрушиться. Другое дело – управляемая поликристаллизация, то есть образование в аморфном стеклянном массиве множества мелких кристалликов. Именно поликристаллизация лежит в основе высоких потребительских свойств керамики и фарфора.

История создания ситалла

Первые успешные попытки насытить аморфное стекло кристаллами относятся к 1739-му году. Рене Реомюр, академик Парижской и Петербуржской академия наук, пытался изобрести жаростойкое стекло – и получил материал, внешне схожий с фарфором.



Молочно-белая непрозрачность реомюровского «фарфора» обуславливалась размерами микрокристаллов, насыщавших стекольную массу. Изобретение показалось бесполезным, и о нем забыли.

Более чем через два столетия опыты по варке стеклокерамической массы возобновились – уже в Америке. Промышленный шпионаж, считавшийся в середине ХХ века двигателем прогресса, разнес идеи производства нового материала по миру.

Оказалось, не так сложна технология, как попытка дать стеклокристаллическому веществу звучное имя. В США пытались внедрить название «пирокерам». Поляки придумали «квазикерам». Англичане решили соригинальничать и предложили миру слово «слагцерам».

И тогда все прогрессивное человечество обратило взоры в сторону России, ибо в области словотворчества тогдашний СССР опережал всякое государство планеты. Физик, крупный специалист по стеклу, лауреат Сталинских премий профессор Исаак Китайгородский предложил звать новый стекломатериал ситаллом. Слово «ситалл» сотрудники лаборатории Китайгородского составили из «кристалла» и «стекла».

Название прижилось. Ситалл отправился завоевывать рынок.

Чем силен ситалл?

Первые ситаллы вряд ли могли порадовать эстетов. Если размеры микрокристалликов в стеклянном массиве превышали длину полуволны света, материал получался серовато-молочным (как у Реомюра). Прозрачные разновидности ситалла мало отличались от низкосортного стекла, были мутными и слабоокрашенными (в тона болотной жижи).

Однако выдающиеся физические свойства ситалла предопределили его успех. По прочности, износоустойчивости, термостойкости ситалл намного превосходит аморфное стекло. По твердости ситалл соперничает с лучшими сортами стали. Материал безупречно работает как электроизолятор.

Но самое важное – с точки зрения геммологии – свойство ситалла открылось позднее, через два десятилетия производства нового материала. Оказалось, что ситаллу можно сообщить высокие оптические свойства и заменить им менее прочное кварцевое стекло.

Прозрачность ситалла, достаточная для изготовления линз, достигается синтезированием в стекле кристаллов особо малого размера. Свет беспрепятственно огибает такие кристаллики и, проходя через кристаллическую решетку, преломляется точно так же, как и в аморфной стеклянной массе.

От ситалла оптического до ситалла ювелирного качества оставался всего один шаг. Но растянулся он на долгие годы...

Цвет ситалла

Первые ситаллы – из тех, что Китайгородский получил еще до войны – отличались крайней невзрачностью. Поскольку в качестве исходного сырья использовались отходы металлургического производства, шлакоситаллы выходили из лабораторий окрашенными окисями металлов в серо-бурые с прозеленью цвета.

Война помешала совершенствованию технологий, да и строители не особо протестовали против непонятного цвета плит, шедших на облицовку полов в цехах и коридорах. Лишь в 1970-м году были получены первые партии ситалла красивой молочно-белой окраски. Добавления пигментов позволили добиться известного разнообразия в колорите производимой продукции.

Однако ювелирная промышленность подобным материалом заинтересоваться не могла. А вот стеклокристаллическая масса, способная выдерживать высокие термодинамические нагрузки и пригодная к изготовлению рубинового стекла для звезд московского Кремля – ювелирам пригодилась...

Трудности и победы

Как известно, некоторые металлы, будучи добавленными в стеклянную шихту в минимальных количествах (до полупроцента), растворяются в кремнеземе при варке стекла, а при остывании – кристаллизуются. Меняя светопропускные способности стекла, металлы оцвечивают материал, не снижая его прозрачности.

Однако ситалл – это смесь кристаллической и аморфной фаз стекла, причем в пропорциях явного преобладания кристаллов (90% и выше). Невозможно даже подумать, чтобы кристаллы металлов, введенные в стекло в столь больших количествах, сохранили материалу прозрачность.

Парадокс решился не без труда. Многочисленные эксперименты с дозированием металлических добавок и режимами термообработки стекла позволили создать технологию катализа кристаллизации кремнезема.

При варке прозрачного окрашенного ситалла металлы добавляются в шихту, и после образуют мельчайшие – до двух миллионных долей метра размером – кристаллы. При термообработке каждый из кристаллов металла становится центром формировании кристаллической фазы кремнезема, причем область кристаллизации имеет округлую каплевидную форму.


Фактически отливка ситалла превращается в массив кристаллических микросфер SiO2 с металлическими затравочными центрами, скрепленных цементом аморфного стекла. Именно этот материал и идет на изготовление ситалловых ювелирных вставок.

Следуя вербальной моде, ювелиры зовут ситалловые вставки «наносинтетикой». Стоимость наносинтетики в изделиях достигает уровня в пять долларов за карат.

Применение цветных прозрачных ситаллов

Помимо ювелирной отрасли, с энтузиазмом принявшейся гранить и оправлять кусочки кристаллизованного стекла, новым материалом заинтересовались и оптики, и электронщики, и создатели космической техники.

Сегодня ученые умеют не только зонировать окраску ситалла, но и формировать внутри кристаллизованного стекла точно очерченные участки с заданными оптическими свойствами. Таким способом изготавливаются сложные светофильтры, решетки, зеркала и прочие оптические элементы конструкций.



Созданы ситаллы, меняющие свои светопропускные характеристики в зависимости от интенсивности электромагнитных потоков. Возобладает ли наносинтетика александритовым эффектом? Скоро увидим!