simulante de diamante

La escala de Mohs de dureza mineral es una escala no lineal que mide la resistencia de los minerales comunes al rayado. El diamante se encuentra en la cima de esta escala (dureza 10), ya que es uno de los materiales naturales más duros que se conocen. (Algunas sustancias artificiales, como las nanobarras de diamante agregadas , son más duras). Dado que es improbable que un diamante se encuentre con sustancias que puedan rayarlo, aparte de otro diamante, las gemas de diamante suelen estar libres de rayones. La dureza del diamante también es evidente visualmente (bajo el microscopio o la lupa ) por sus facetas altamente brillantes (descritas como adamantinas ), que son perfectamente planas, y por sus bordes de facetas nítidos y definidos. Para que un simulante de diamante sea efectivo, debe ser muy duro en comparación con la mayoría de las gemas. La mayoría de los simulantes no alcanzan la dureza del diamante, por lo que se pueden distinguir de este por sus defectos externos y su pulido deficiente.

En el pasado reciente, la llamada "prueba del cristal" se consideraba un método infalible para identificar diamantes. Se trata de una prueba potencialmente destructiva en la que se frota una gema sospechosa de ser un diamante contra un cristal; un resultado positivo se manifiesta con un arañazo en el cristal y ninguno en la gema. También se utilizan puntas de dureza y placas de rayado de corindón (dureza 9) en lugar de cristal. Las pruebas de dureza no son recomendables por tres razones: el cristal es bastante blando (normalmente con una dureza de 6 o inferior) y puede rayarse con una gran cantidad de materiales (incluidos muchos simulantes); el diamante tiene cuatro direcciones de clivaje perfecto y fácil (planos de debilidad estructural a lo largo de los cuales el diamante podría partirse), que podrían activarse durante el proceso de prueba; y muchas gemas similares al diamante (incluidos simulantes antiguos) son valiosas por sí mismas.

La gravedad específica (GE) o densidad de un diamante gema es bastante constante, alrededor de 3,52. La mayoría de los simulantes se encuentran muy por encima o ligeramente por debajo de este valor, lo que facilita su identificación si no están engastados. Para ello, se pueden utilizar líquidos de alta densidad como el diyodometano , pero estos líquidos son altamente tóxicos y, por lo tanto, suelen evitarse. Un método más práctico consiste en comparar el tamaño y el peso esperados de un diamante sospechoso con sus parámetros medidos: por ejemplo, una zirconia cúbica (GE 5,6-6) pesará 1,7 veces más que un diamante de tamaño equivalente.

Los diamantes suelen tallarse en talla brillante para resaltar su brillo (la cantidad de luz que se refleja hacia el observador) y su fuego (el grado en que se aprecian destellos prismáticos de colores ). Ambas propiedades se ven fuertemente afectadas por el tallado de la piedra, pero dependen del alto índice de refracción (IR, por sus siglas en inglés) del diamante (el grado en que la luz incidente se desvía al entrar en la piedra), de 2,417 (medido con luz de sodio , 589,3  nm), y de su alta dispersión (el grado en que la luz blanca se descompone en sus colores espectrales al atravesar la piedra), de 0,044 (medida con el intervalo de las líneas B y G del sodio). Por lo tanto, si el IR y la dispersión de un simulante de diamante son demasiado bajos, este parecerá relativamente opaco o "sin vida"; si el IR y la dispersión son demasiado altos, el efecto se considerará irreal o incluso de mal gusto. Muy pocos simulantes tienen un IR y una dispersión muy similares, e incluso los simulantes más cercanos pueden ser distinguidos por un observador experimentado. Las mediciones directas del índice de refracción (IR) y la dispersión no son prácticas (un refractómetro gemológico estándar tiene un límite superior de IR de aproximadamente 1,81), pero varias empresas han ideado medidores de reflectividad para determinar el IR de un material indirectamente midiendo qué tan bien refleja un haz infrarrojo .

Quizás igual de importante sea el carácter óptico . El diamante y otros materiales cúbicos (y también amorfos ) son isótropos , lo que significa que la luz que entra en una piedra se comporta de la misma manera independientemente de la dirección. Por el contrario, la mayoría de los minerales son anisótropos , lo que produce birrefringencia , o doble refracción de la luz que entra en el material en todas las direcciones excepto en un eje óptico (una dirección de refracción simple en un material birrefringente). Con poca magnificación, esta birrefringencia suele detectarse como una duplicación visual de las facetas posteriores o defectos internos de una gema tallada. Por lo tanto, un simulante de diamante eficaz debe ser isótropo.

Bajo luz ultravioleta de onda larga (365  nm) , el diamante puede fluorescer en tonos azules, amarillos, verdes, malvas o rojos de intensidad variable. La fluorescencia más común es azul, y estas piedras también pueden fosforescer en amarillo; se cree que esta es una combinación única entre las gemas. Por lo general, la respuesta a la luz ultravioleta de onda corta es mínima o nula, a diferencia de muchos simulantes de diamante. Del mismo modo, dado que la mayoría de los simulantes de diamante son artificiales, tienden a tener propiedades uniformes: en un anillo de diamantes con varias piedras, se esperaría que los diamantes individuales fluorescieran de manera diferente (con distintos colores e intensidades, y algunos probablemente sean inertes). Si todas las piedras fluorescen de manera idéntica, es improbable que sean diamantes extraídos (aunque este resultado puede ocurrir con diamantes sintéticos ).

La mayoría de los diamantes "incoloros" en realidad tienen un ligero tinte amarillo o marrón, mientras que algunos simulantes artificiales son completamente incoloros, el equivalente a una "D" perfecta en la terminología del color de los diamantes . Este factor de "demasiado bueno para ser verdad" es importante a tener en cuenta; los simulantes de diamantes de color, diseñados para imitar diamantes de fantasía, son más difíciles de detectar en este sentido, pero los colores de los simulantes rara vez se aproximan. En la mayoría de los diamantes (incluso en los incoloros) se puede observar un espectro de absorción característico (mediante un espectroscopio de visión directa ), que consiste en una línea fina a 415  nm. Los dopantes utilizados para impartir color en los simulantes artificiales pueden detectarse como un complejo espectro de absorción de tierras raras , que nunca se observa en el diamante.

La mayoría de los diamantes también presentan ciertas imperfecciones o inclusiones internas y externas , siendo las más comunes las fracturas y los cristales extraños sólidos. Los simulantes artificiales suelen ser internamente impecables, y cualquier imperfección presente es característica del proceso de fabricación. Las inclusiones que se observan en los simulantes naturales a menudo difieren de las que se ven en los diamantes, especialmente las inclusiones líquidas en forma de pluma. El proceso de tallado del diamante suele dejar intactas porciones de la superficie del cristal original. Estas se denominan inclusiones naturales y generalmente se encuentran en el cinturón de la piedra; tienen la forma de pequeñas cavidades triangulares, rectangulares o cuadradas ( marcas de grabado ) y solo se observan en los diamantes.

El diamante es un conductor térmico extremadamente eficaz y, por lo general, un aislante eléctrico . Esta propiedad se aprovecha ampliamente en el uso de sondas térmicas electrónicas para distinguir los diamantes de sus imitaciones. Estas sondas constan de un par de termistores alimentados por batería, montados en una fina punta de cobre . Un termistor funciona como dispositivo de calentamiento , mientras que el otro mide la temperatura de la punta de cobre: ​​si la piedra analizada es un diamante, conducirá la energía térmica de la punta con la suficiente rapidez como para producir una caída de temperatura medible. Dado que la mayoría de los simulantes son aislantes térmicos, el calor del termistor no se conducirá. Esta prueba dura entre 2 y 3 segundos. La única posible excepción es la moissanita, que tiene una conductividad térmica similar a la del diamante: las sondas antiguas pueden confundirse con la moissanita, pero los nuevos analizadores de conductividad térmica y eléctrica son lo suficientemente sofisticados como para diferenciar ambos materiales. El último avance es el recubrimiento de nanodiamante, una capa extremadamente fina de material de diamante. Si no se analiza correctamente, puede presentar las mismas características que un diamante.

La conductancia eléctrica de un diamante solo es relevante para las piedras azules o azul grisáceas, ya que el boro intersticial responsable de su color también las convierte en semiconductores . Por lo tanto, se puede confirmar que un diamante es azul si completa correctamente un circuito eléctrico .

La columna "índice(s) de refracción" muestra un índice de refracción para sustancias con índice de refracción simple y un rango para sustancias con índice de refracción doble.

La formulación del vidrio sílex utilizando plomo , alúmina y talio para aumentar el índice de refracción y la dispersión comenzó a finales del período barroco . El vidrio sílex se trabaja en brillantes, y cuando se cortan, pueden ser simulantes de diamantes sorprendentemente efectivos. Conocidos como diamantes de imitación, pastas o strass, los simulantes de vidrio son una característica común de la joyería antigua ; en tales casos, los diamantes de imitación pueden ser valiosos artefactos históricos por derecho propio. La gran blandura (por debajo de la dureza 6) que le confiere el plomo hace que los bordes y las caras de las facetas de un diamante de imitación se redondeen y rayen rápidamente. Junto con las fracturas concoidales y las burbujas de aire o líneas de flujo dentro de la piedra, estas características hacen que las imitaciones de vidrio sean fáciles de detectar incluso con una magnificación moderada. En la producción contemporánea, es más común que el vidrio se moldee en lugar de cortarse: en estas piedras, las facetas serán cóncavas y los bordes redondeados, y también pueden estar presentes marcas de molde o costuras. El vidrio también se ha combinado con otros materiales para producir compuestos.

Los primeros simulantes _de diamante artificial cristalino fueron el zafiro blanco sintético ₍ Al₂O₃ , corindón puro) y la espinela (MgO·Al₂O₃ _, óxido de magnesio y aluminio puro ) _. Ambos se sintetizaron en grandes cantidades desde la primera década del siglo XX mediante el proceso de Verneuil o fusión a la llama, aunque la espinela no se generalizó hasta la década de 1920. El proceso de Verneuil consiste en un soplete de oxihidrógeno invertido , donde se introduce cuidadosamente polvo purificado mezclado con oxígeno . El polvo cae a través de la llama de oxihidrógeno, se funde y se deposita sobre un pedestal giratorio que desciende lentamente. La altura del pedestal se ajusta constantemente para mantener su parte superior en la posición óptima bajo la llama, y ​​durante varias horas el polvo fundido se enfría y cristaliza para formar un único cristal pedunculado en forma de pera o lingote . El proceso es económico y permite obtener cristales de hasta 9 centímetros (3,5 pulgadas) de diámetro. Las bolas de billar cultivadas mediante el moderno proceso Czochralski pueden pesar varios kilogramos. 

El zafiro y la espinela sintéticos son materiales duraderos (dureza 9 y 8) que admiten un buen pulido; sin embargo, debido a su índice de refracción (IR) mucho menor en comparación con el diamante (1,762–1,770 para el zafiro, 1,727 para la espinela), resultan "sin vida" al ser tallados. (El zafiro sintético también es anisotrópico , lo que facilita aún más su detección). Sus bajos IR también implican una dispersión mucho menor (0,018 y 0,020), por lo que incluso cuando se tallan en talla brillante carecen del brillo del diamante. No obstante, la espinela y el zafiro sintéticos fueron simulantes de diamante populares desde la década de 1920 hasta finales de la década de 1940, cuando comenzaron a aparecer simulantes más nuevos y mejores. Ambos también se han combinado con otros materiales para crear compuestos. Algunos nombres comerciales utilizados para el zafiro sintético incluyen Diamondette , Diamondite , Jourado Diamond y Thrilliant . Entre los nombres que se le daban a la espinela sintética se encontraban Corundolite , Lustergem , Magalux y Radiant .

El primero de los simulantes ópticamente "mejorados" fue el rutilo sintético (TiO₂ _, óxido de titanio puro ). Introducido en 1947-1948, el rutilo sintético posee una gran vida útil al ser tallado, quizás demasiada para un simulante de diamante. El índice de refracción (IR) y la dispersión del rutilo sintético (2,8 y 0,33) son tan superiores a los del diamante que los brillantes resultantes lucen casi como ópalos en su exhibición de colores prismáticos. El rutilo sintético también es doblemente refractivo: aunque algunas piedras se tallan con la tabla perpendicular al eje óptico para ocultar esta propiedad, simplemente inclinando la piedra se revelarán las facetas posteriores dobles.

El éxito continuado del rutilo sintético se vio obstaculizado por el inevitable tono amarillento del material, que los productores nunca lograron remediar. Sin embargo, se produjo rutilo sintético en una gama de colores diferentes, incluyendo azules y rojos, utilizando diversos dopantes de óxido metálico. Estas piedras, junto con las de color casi blanco, fueron extremadamente populares, aunque no eran piedras reales. El rutilo sintético también es bastante blando (dureza ~6) y quebradizo, por lo que se desgasta con facilidad. Se sintetiza mediante una modificación del proceso Verneuil, que utiliza un tercer tubo de oxígeno para crear un quemador tricónico ; esto es necesario para producir un monocristal, debido a las pérdidas de oxígeno mucho mayores que implica la oxidación del titanio. La técnica fue inventada por Charles H. Moore, Jr. en la National Lead Company (más tarde NL Industries ), con sede en South Amboy , Nueva Jersey . National Lead y Union Carbide fueron los principales productores de rutilo sintético, y la producción anual máxima alcanzó los 750.000 quilates (150 kg). Algunos de los muchos nombres comerciales que se aplican al rutilo sintético incluyen: Astryl , Diamothyst , Gava o Java Gem , Meredith , Miridis , Rainbow Diamond , Rainbow Magic Diamond , Rutania , Titangem , Titania y Ultamite . 

En National Lead también se llevó a cabo la investigación sobre la síntesis de otro compuesto de titanio: el titanato de estroncio ( SrTiO₃ , tausonita pura). Esta investigación fue realizada a finales de _la década de 1940 y principios de la de 1950 por Leon Merker y Langtry E. Lynd, quienes también utilizaron una modificación de tricona del proceso Verneuil. Tras su introducción comercial en 1955, el titanato de estroncio reemplazó rápidamente al rutilo sintético como el simulante de diamante más popular. Esto se debió no solo a la novedad del titanato de estroncio, sino también a sus propiedades ópticas superiores: su índice de refracción (2,41) es muy similar al del diamante, mientras que su dispersión (0,19), aunque también muy alta, representó una mejora significativa con respecto al brillo psicodélico del rutilo sintético. También se utilizaron dopantes para dar al titanato sintético una variedad de colores, incluyendo amarillo, naranja a rojo, azul y negro. El material también es isotrópico, como el diamante, lo que significa que no hay duplicación de facetas que distraiga, como se observa en el rutilo sintético.

El único inconveniente importante del titanato de estroncio (si se excluye el exceso de fuego) es su fragilidad. Es más blando (dureza 5,5) y más quebradizo que el rutilo sintético; por esta razón, el titanato de estroncio también se combinó con materiales más duraderos para crear compuestos . Por lo demás, era el mejor simulante disponible en ese momento, y su producción anual máxima fue de 1,5 millones de quilates (300  kg). Debido a la protección de patentes , toda la producción en EE. UU. fue realizada por National Lead, mientras que grandes cantidades se produjeron en el extranjero por la empresa japonesa Nakazumi . Entre los nombres comerciales del titanato de estroncio se encontraban Brilliante , Diagem , Diamontina , Fabulite y Marvelite .

A partir de 1970, el titanato de estroncio comenzó a ser reemplazado por una nueva clase de imitaciones de diamante: los " granates sintéticos". Estos no son verdaderos granates en el sentido habitual _, ya que son óxidos en lugar de silicatos , pero sí comparten la estructura cristalina del granate natural (ambos son cúbicos y, por lo tanto, isotrópicos) y la fórmula general A₃B₂C₃O₁₂ . Mientras _que en los granates naturales C siempre es _{silicio ,} y A y B pueden ser uno de varios elementos comunes , la mayoría de los granates sintéticos están compuestos de elementos de tierras raras poco comunes. Son los únicos simulantes de diamante (aparte de los diamantes de imitación) sin contrapartes naturales conocidas: gemológicamente, es mejor denominarlos artificiales en lugar de sintéticos , ya que este último término se reserva para materiales artificiales que también se pueden encontrar en la naturaleza.

Aunque se cultivaron con éxito varios granates artificiales, solo dos se volvieron importantes como simulantes de diamante. El primero fue el granate de itrio y aluminio ( YAG ; Y₃Al₅O₁₂ ₎ a finales de la década de 1960. Se producía (y aún se produce) mediante el proceso Czochralski, o de extracción de cristales, que implica el crecimiento a partir de la fusión. Se utiliza un _{crisol de} iridio rodeado por una atmósfera inerte , donde el óxido de itrio y el óxido de aluminio se funden y se mezclan a una temperatura cuidadosamente controlada cercana a los 1980 °C. Un pequeño cristal semilla se adhiere a una varilla, que se baja sobre el crisol hasta que el cristal entra en contacto con la superficie de la mezcla fundida. El cristal semilla actúa como un sitio de nucleación ; la temperatura se mantiene constante en un punto donde la superficie de la mezcla está justo por debajo del punto de fusión. La varilla se rota y se retrae lenta y continuamente, y la mezcla extraída cristaliza al salir del crisol, formando un monocristal en forma de lingote cilíndrico. La pureza del cristal es extremadamente alta, y normalmente mide 5 cm (2 pulgadas) de diámetro y 20 cm (8 pulgadas) de largo, y pesa 9.000 quilates (1,75 kg).      

La dureza del YAG (8,25) y su falta de fragilidad representaron grandes mejoras con respecto al titanato de estroncio, y aunque su RI (1,83) y dispersión (0,028) eran bastante bajos, fueron suficientes para dar a los YAG de talla brillante un fuego perceptible y un buen brillo (aunque todavía mucho menor que el diamante). También se produjeron varios colores diferentes con la adición de dopantes, incluyendo amarillo, rojo y un verde vivo, que se usó para imitar la esmeralda . Los principales productores fueron Shelby Gem Factory de Michigan, Litton Systems , Allied Chemical , Raytheon y Union Carbide; la producción mundial anual alcanzó un máximo de 40 millones de quilates (8000  kg) en 1972, pero cayó drásticamente después. Los nombres comerciales para el YAG fueron Diamonair , Diamonique , Gemonair , Replique y Triamond .

_{Si bien la saturación del mercado fue una de} las razones de la caída en los niveles de producción _de YAG, otra fue la reciente introducción del otro granate artificial importante como simulante de diamante, el granate de gadolinio y galio ( GGG; _{Gd₃Ga₅O₁₂} ). Producido de manera muy similar al YAG (pero con un punto de fusión más bajo de 1750 °C), el GGG tenía un índice de refracción (1,97) cercano y una dispersión (0,045) casi idéntica a la del diamante. El GGG también era lo suficientemente duro (dureza 7) y resistente como para ser una gema eficaz, pero sus componentes eran mucho más caros que los del YAG. Igualmente perjudicial era la tendencia del GGG a oscurecerse al exponerse a la luz solar u otra fuente de radiación ultravioleta: esto se debía a que la mayoría de las gemas de GGG se fabricaban con material impuro que se descartaba para su uso tecnológico. La densidad relativa (SG) del GGG (7,02) es también la más alta de todos los simulantes de diamante y una de las más altas de todas las gemas, lo que facilita la identificación de las gemas de GGG sueltas al comparar sus dimensiones con sus pesos esperados y reales. En comparación con sus predecesores, el GGG nunca se produjo en cantidades significativas; prácticamente desapareció a finales de la década de 1970. Entre los nombres comerciales del GGG se encontraban Diamonique II y Galliant . 

La zirconia cúbica o CZ (ZrO₂ _; dióxido de circonio , que no debe confundirse con el circón , un silicato de circonio ) dominó rápidamente el mercado de simulantes de diamante tras su introducción en 1976, y sigue siendo el simulante más importante desde el punto de vista gemológico y económico. La CZ se sintetizaba desde 1930, pero solo en forma cerámica : el crecimiento de CZ monocristalina requería un método radicalmente diferente al utilizado para los simulantes anteriores debido al punto de fusión extremadamente alto de la zirconia (2750  °C), insostenible en cualquier crisol. La solución encontrada consistió en una red de tuberías de cobre llenas de agua y bobinas de calentamiento por inducción de radiofrecuencia ; estas últimas para calentar el polvo de zirconia de alimentación, y las primeras para enfriar el exterior y mantener una "piel" de retención de menos de 1 milímetro de espesor. De este modo, la CZ se cultivaba en un crisol en sí misma, una técnica denominada crisol frío (en referencia a las tuberías de refrigeración) o crisol de calavera (en referencia a la forma del crisol o de los cristales cultivados).

A presión estándar, el óxido de circonio normalmente cristaliza en el sistema cristalino monoclínico en lugar del cúbico: para que crezcan cristales cúbicos, se debe utilizar un estabilizador. Este suele ser óxido de itrio(III) u óxido de calcio . La técnica del crisol de cráneo se desarrolló por primera vez en Francia en la década de 1960 , pero fue perfeccionada a principios de la década de 1970 por científicos soviéticos bajo la dirección de V. V. Osiko en el Instituto de Física Lebedev en Moscú . Para 1980, la producción mundial anual había alcanzado los 50 millones de quilates (10 000  kg).

La dureza (8–8,5), el índice de refracción (2,15–2,18, isotrópico), la dispersión (0,058–0,066) y el bajo coste del material hacen de la CZ el simulante de diamante más popular. Sin embargo, sus constantes ópticas y físicas son variables, debido a los diferentes estabilizadores utilizados por los distintos fabricantes. Existen muchas formulaciones de circonia cúbica estabilizada. Estas variaciones cambian notablemente las propiedades físicas y ópticas. Si bien la semejanza visual de la CZ es lo suficientemente cercana al diamante como para engañar a la mayoría de quienes no manipulan diamantes con regularidad, la CZ suele dar ciertas pistas. Por ejemplo: es algo quebradiza y lo suficientemente blanda como para tener arañazos después de un uso normal en joyería; suele ser internamente impecable y completamente incolora (mientras que la mayoría de los diamantes tienen algunas imperfecciones internas y un tinte amarillo); su densidad relativa (5,6–6) es alta; y su reacción bajo luz ultravioleta es un beige distintivo. La mayoría de los joyeros utilizan una sonda térmica para analizar todas las circonitas cúbicas sospechosas, una prueba que se basa en la excelente conductividad térmica del diamante (la circonita cúbica, al igual que casi todos los demás imitadores de diamante, es un aislante térmico). La circonita cúbica se fabrica en una variedad de colores para imitar diamantes de fantasía (por ejemplo, amarillo a marrón dorado, naranja, rojo a rosa, verde y negro opaco), pero la mayoría no se asemejan al diamante auténtico. La circonita cúbica puede recubrirse con carbono tipo diamante para mejorar su durabilidad, pero aun así será detectada como circonita cúbica por una sonda térmica.

La CZ prácticamente no tuvo competencia hasta la introducción de la moissanita (SiC; carburo de silicio ) en 1998. La moissanita es superior a la zirconia cúbica en tres aspectos: su dureza (8,5–9,25); su baja densidad (3,2); y su índice de refracción de 2,65, el más alto conocido. La primera propiedad da como resultado facetas a veces tan nítidas como las de un diamante, mientras que la segunda hace que la moissanita sintética sea algo más difícil de detectar cuando no está engastada (aunque sigue siendo lo suficientemente distinta como para detectarla). Sin embargo, a diferencia del diamante y la zirconia cúbica, la moissanita es fuertemente birrefringente . Esto se manifiesta como el mismo efecto de "visión borrosa" que se observa en el rutilo sintético, aunque en menor grado. Toda la moissanita se corta con la tabla perpendicular al eje óptico para ocultar esta propiedad desde arriba, pero cuando se observa con aumento y con una ligera inclinación, la duplicación de las facetas (y cualquier inclusión) es fácilmente perceptible.

Las inclusiones que se observan en la moissanita también son características: la mayoría presenta finos tubos o agujas de crecimiento blancos, subparalelos y orientados perpendicularmente a la tabla de la piedra. Es posible que estos tubos de crecimiento se confundan con los orificios de perforación láser que a veces se observan en el diamante (véase el tratamiento del diamante ), pero en la moissanita los tubos se duplican notablemente debido a su birrefringencia. Al igual que el rutilo sintético, la producción actual de moissanita también se ve afectada por un tinte aún inevitable, generalmente de color verde parduzco. También se ha producido una gama limitada de colores fantasía, siendo los dos más comunes el azul y el verde.