بلورهای کوارتز با رشد مجدد در بازار گوهرسنگهای چین

بلورهای کوارتز با رشد مجدد در بازار گوهرسنگهای چین از بخش طبیعی و بخش سنتتیک با تکنیک سنتتیک هیدروترمال تشکیل شده‌اند. آنها دارای ویژگی های گوهرشناسی مشابه با کوارتز طبیعی هستند، که چالش هایی را برای شناسایی گوهر و همچنین سوالات جدیدی برای تحقیقات علمی به همراه داشته است. نتایج بررسی‌ها در این مطالعه می‌تواند مرجعی نه تنها برای شناسایی کریستال‌های کوارتز دوباره رشد یافته، بلکه همچنین بحث در مورد هسته‌زایی، رشد و فرآیند انحلال سنگ‌های قیمتی مصنوعی هیدروترمال بر روی سنگ‌های طبیعی باشد. در آینده، با ارتقا و توسعه تکنیک‌های رشد مجدد، می‌توان پیش‌بینی کرد که سنگ‌های قیمتی رشد مجدد بیشتری با کیفیت بالاتر در بازار گوهرسنگ ظاهر شوند و مستحق مطالعه بیشتر باشند.

ظهور کوارتزهای دوباره رشد یافته در بازار

کوارتز به طور گسترده در اغلب نقاط کره زمین یافت می شود و کاربرد گسترده ای در بسیاری از صنایع دارد. کوارتز مرغوب با رنگ های متنوع را می توان به عنوان یک گوهر در نظر گرفت و سهم بالایی در بازار جواهرات دارد. علاوه بر این، کوارتز همچنین می تواند به عنوان مواد پیزوالکتریک و اپتیکال استفاده شود که نیاز به شفافیت بالایی دارند. انواع و مقادیر مختلف ناخالصی در کوارتز طبیعی رایج است. بنابراین، کوارتز شفاف اغلب با روش سنتتیک هیدروترمال در صنعت سنتز می شود. درواقع این تکنیک، فرآیند تبلور کوارتز طبیعی در سیال گرمابی (هیدروترمال) را شبیه سازی می کند. این روش قدمت آن به قرن 19 برمی گردد و از آن زمان تاکنون به دلیل تقاضای بازار و صنایع، به طور مداوم ارتقا و پیشرفت و توسعه یافته است. امروزه انواع کوارتز بی رنگ یا رنگی مختلف را می توان به روش هیدروترمال تولید کرد. در سال های اخیر، کریستال کوارتزهای دوباره رشد یافته (regrown quartz) دروزی در بازار جواهرات چین رایج شده است، که با رشد مجدد لایه ای از کوارتز مصنوعی بر روی سطح کوارتز طبیعی تولید می شود. وجود اینکلوژنها و ویژگی های ظاهری مشابه، برخی از مشکلات را برای شناسایی در لابراتوار گوهرشناسی به همراه آورده است و بررسی خصوصیات آن می تواند به درک روند رشد مجدد کمک کند. مطالعات قبلی عمدتاً بر روی توپوگرافی سطح، ویژگی‌ اینکلوژن‌ها و اپتیکی چنین کریستال‌های دوباره رشد یافته کوارتز متمرکز بودند. با این حال، ریزساختار و ویژگی‌های طیفی بخش‌های مختلف آن (بخش طبیعی و بخش مصنوعی) هنوز نیاز به بررسی دارد که می‌تواند اطلاعات بیشتری در مورد ساختار، ترکیبات و شرایط شکل‌گیری در طول فرآیند رشد مجدد را نشان دهد.

بررسی نمونه کوارتزهای دوباره رشد یافته

در این مطالعه، نمونه‌های بلورهای کوارتز با رشد مجدد از بازار کریستال Donghai (در استان جیانگ‌سو چین) ، بزرگترین مرکز تجارت سنگ کریستال (کوارتز) در چین جمع‌آوری شد. هر نمونه دروزی (بلورهای کوارتزهای تجمعی) دارای 10 تا 20 تک بلور بود و شش نمونه تک بلور (Q-1-1~Q-1-3، Q-2-1~Q-2-3) برای مشاهده و اندازه گیری از این کریستال کوارتزهای تجمعی با رشد مجدد جدا شدند. همراه با بررسی کارخانه‌های کوارتز سنتتیک، میکروساختار و ویژگی‌های طیفی مورد تجزیه و تحلیل و پیدایش آنها مورد بحث قرار گرفت. در این بحث سیستم توموگرافی کامپیوتری سه بعدی (3D) و عملکرد تشخیص هوش مصنوعی آن در تصویربرداری بصری برای نمایش تصویر سه بعدی از ویژگی‌های میکروساختاری کریستال‌های کوارتز دوباره رشد یافته استفاده شد.

نتایج بدست آمده

1 – ویژگی های گوهر شناسی

نمونه‌های مورد بررسی، شفاف و بی‌رنگ یا در برخی مناطق با رنگ سبز هستند. ضریب شکست آنها بین 1.54 تا 1.55 است. مقادیر وزن مخصوص بین 2.62 و 2.65 متغیر است. سختی 7 است (جدول 1). تمام نمونه های بررسی شده عمدتاً از سیلیکات SiO2 تشکیل شده و سایر عناصر کم مقدار شامل Al، Mg، Na، K، Ca و غیره می باشند (جدول 2) که در کوارتز طبیعی نیز وجود دارند.

همه نمونه ها نسبت به تابش امواج ماوراء بنفش UV موج بلند و موج کوتاه بی اثر هستند. همچنین تحت مشاهده یک میکروسکوپ گوهرشناسی، بلورهای کوارتزی که دوباره رشد یافته بودند، اینکلوژنهای گاز-مایع داشتند که در صفحات منحنی نامنظم در جهات مختلف گسترش یافته بودند، چیزی که به عنوان ویژگی‌های داخلی کوارتز طبیعی محسوب می شود (شکل 2). بنابراین، ویژگی‌های گوهرشناسی پایه کریستال کوارتز با رشد مجدد، تفاوت آشکاری با کوارتز طبیعی نشان نمی‌دهد.

2- خصوصیات میکروساختاری

تصاویر سه‌بعدی بخش‌های مختلف کریستال کوارتز با رشد مجدد، ویژگی‌های ریزساختاری متفاوتی را نشان می‌دهند که توسط سیستم توموگرافی کامپیوتری سه بعدی و عملکرد تشخیص هوش نرم‌افزار تصویربرداری بصری به‌دست آمده‌اند. از نمای جانبی تصویر سه بعدی (شکل 3a)، منافذ زیادی در ابعاد میکرون تا میلی متر در بخش طبیعی با میزان حجم 5^10 × 8 µm3  تا 0.17 mm3 وجود دارد . با این حال، بخش رشد مجدد دارای تخلخل بسیار کمتر و منافذ بسیار معدودی در آن است که در آن بخش حجم روزنه کمتر از 4^10 × 6 µm3 است . از نمای بالای تصویر سه بعدی (شکل 3b)، بیشتر منافذ در نمونه های بررسی شده در امتداد یا نزدیک به خط اتصال دو بخش توزیع شده اند. این منافذ در کریستال کوارتز با رشد مجدد می‌تواند توخالی باشند یا با فازهای گاز، سیال یا گاز-مایع پر شوند.

3- ویژگی های طیفی مادون قرمز

تمایز در طیف مادون قرمز بین بخش طبیعی و بخش سنتتیک عمدتا در مناطقی بین cm-1 3300 تا 3600 اتفاق می افتد. بخش طبیعی پیک های جذب را در 3310، 3378 و 3484 cm-1 نشان می دهد، در حالی که بخش سنتتیک جذب آشکاری را در 3400، 3440 و 3585 سانتی cm-1 نشان می دهد (شکل 4). مطالعات قبلی نشان داده‌اند که پیک‌های جذب ۳۳۱۰، ۳۳۷۸ و ۳۴۸۴ در کوارتز طبیعی با گروه هیدروکسیل (OH) در ساختار مرتبط است. برای کوارتز سنتتیک، تغییر حالت گروه هیدروکسیل موجود تحت تأثیر کاتیون های قلیایی (عمدتا Na +،+ K،+ Li) محلول رشد است که می تواند منجر به جذب در 3400، 3440، و 3585 شود.

بررسی مکانیزم رشد و تفاوتها

لایه مصنوعی کریستال کوارتز با رشد مجدد، از α-کوارتز تشکیل شده است، در حالی که کوارتز می تواند از α-کوارتز به β-کوارتز در 573دمای درجه سانتیگراد منتقل شود. بنابراین، دمای تبلور لایه کوارتز سنتتیک که دوباره رشد کرده است معمولاً زیر 573 درجه سانتیگراد است . فرآیند رشد کوارتز سنتتیک هیدروترمال در اتوکلاو انجام می شود. کوارتز ذوب شده یا قطعات شکسته شده رگه کوارتز طبیعی به عنوان ماده خام اولیه برای منبع SiO2 و محلول قلیایی (حاوی Na +،+ K،+ Li و غیره) به عنوان کانسنگ ساز در طول فرآیند استفاده می شود. فضای داخلی اتوکلاو را می توان به دو قسمت تقسیم کرد که عبارتند از منطقه انحلال مواد خام و منطقه تبلور، با فشار  8^10 × 1.6~1.1 پاسکال و دمای 300 تا 380 درجه سانتیگراد (دمای منطقه انحلال نسبتاً بالاتر است) . با توجه به محیط بسته و شرایط کنترل شده در اتوکلاو، محیط تشکیل کوارتز مصنوعی نسبتاً یکنواخت و پایدار بود که می تواند عیوب کمتر و تخلخل کمتر آن را توضیح دهد. با این حال، کوارتز طبیعی در یک محیط طبیعی باز تشکیل شده، به طوری که دما، فشار، ترکیب سیال کانی‌ساز و سایر عوامل در حال تغییر ثابت بودند که منجر به ویژگی‌های داخلی اینکلوژمخای گاز-مایع، اینکلوژنهای معدنی، نگاتیو کریستال، ترک و نوار رنگی و .. می شود. برای کریستال کوارتز با رشد مجدد، لایه کوارتز مصنوعی در اطراف سطح کوارتز طبیعی رشد کرده است. از این رو، دارای اینکلوژنهای مشابه با کوارتز طبیعی زیر میکروسکوپ است که باعث می شود اشتباه گرفته شود. با این وجود، تفاوت در میزان نقص و تخلخل مقطع طبیعی و بخش مصنوعی بلور کوارتز با رشد مجدد، که توسط محیط شکل‌دهی متفاوت ایجاد می‌شود، می‌تواند به صورت بصری در تصویر سه بعدی از ویژگی‌های ریزساختاری نمایش داده شود. منافذ زیادی در ابعاد میکرون تا میلی متر در بخش طبیعی یا سطح مشترک بخش طبیعی و سنتتیک وجود دارد، در حالی که تخلخل بخش مصنوعی بسیار کمتر است. طیف مادون قرمز دو بخش کریستال کوارتز با رشد مجدد، تمایز قابل توجهی را در قله‌های جذب در محدوده 3300-3600 نشان می‌دهد، که عمدتاً مربوط به گروه OH است که از سیال یا محلول کانسنگ ساز می‌آید. کوارتز طبیعی و کوارتز سنتتیک در دما و ترکیبات سیال کانسنگ ساز در طول تبلور با هم تفاوت دارند. تغییر حالت ماهیت گروه‌های OH موجود تحت تأثیر کاتیون‌های قلیایی (حاوی Na +،+ K،+ Li و غیره) محلول رشد در بخش کوارتز مصنوعی منجر به ویژگی‌های جذب مادون قرمز متفاوت از آن‌ها در بخش کوارتز طبیعی می‌شود. بنابراین، می توان استنباط کرد که تفاوت در شرایط شکل دهی بر حالت گروه های OH موجود در ساختار Si02 تأثیر دارد که منجر به ویژگی های جذب متفاوت بخش های طبیعی و سنتتیک بلورهای کوارتز با رشد مجدد می شود.

منابع:

Danyi Zhou , Taijin Lu , Huiru Dai , Jieran Lv , Shouming Chen , Zhonghua Song

Study on the Microstructure and Spectra of Regrown Quartz Crystals from Chinese Jewelry Market