کریستال کوارتز مصنوعی با روش رشد مجدد در چین تولید می شود

در بازار گوهرسنگ‌های چین، نوعی بلور کوارتز دیده می‌شود که از دو بخش ساخته شده: یک هسته طبیعی و یک لایه سنتتیک که با روش هیدروترمال روی آن رشد کرده است. این کوارتزهای دوباره‌رشد‌یافته از نظر گوهرشناسی شباهت زیادی به کوارتز طبیعی دارند. همین شباهت، هم شناسایی آن‌ها را در آزمایشگاه سخت کرده و هم پرسش‌های تازه‌ای برای پژوهشگران به همراه آورده است.

یافته‌های این مطالعه می‌تواند مرجعی برای شناسایی این کریستال‌ها باشد. در عین حال، دیدی روشن‌تر از هسته‌زایی، رشد و انحلال سنگ‌های قیمتی مصنوعی هیدروترمال روی سنگ‌های طبیعی هم به دست می‌دهد. با پیشرفت تکنیک‌های رشد مجدد، احتمالاً در آینده سنگ‌های قیمتی دوباره‌رشد‌یافته بیشتر و باکیفیت‌تری در بازار گوهرسنگ دیده خواهند شد؛ روندی که قطعاً بررسی‌های بیشتری را می‌طلبد.

کوارتز سنتتیک مصنوعی دوباره رشد یافته — یک کوارتز دوباره رشد یافته از چین مربوط به یک خرده فروش در وبسایت aliexpress.com . همانطور که می بینید دیگر نمونه خوشه های کوارتز نیز عینا با همین رنگ و طبع وجود داشته و با قیمتی زیر 50 دلار به فروش می رسند.

ظهور کوارتز دوباره‌رشد‌یافته در بازار جواهرات چین

کوارتز یکی از پرکاربردترین و پرتعدادترین کانی‌های روی زمین است و در صنایع گوناگونی به کار می‌رود. نوع باکیفیت و رنگی آن به‌عنوان گوهر شناخته می‌شود و سهم قابل‌توجهی از بازار جواهرات را در اختیار دارد. کاربرد دیگر کوارتز در ساخت مواد پیزوالکتریک و اپتیکال است؛ موادی که به شفافیت بسیار بالایی نیاز دارند. کوارتز طبیعی معمولاً انواع و مقادیر مختلفی از ناخالصی دارد. برای همین، وقتی نیاز به کوارتز شفاف باشد، صنعت اغلب سراغ روش سنتتیک هیدروترمال می‌رود. این روش، فرآیند تبلور طبیعی کوارتز در سیال گرمابی را شبیه‌سازی می‌کند. قدمت این تکنیک به قرن نوزدهم برمی‌گردد و از همان زمان، با توجه به تقاضای بازار و صنعت، پیوسته پیشرفت کرده است. امروز با روش هیدروترمال می‌توان انواع کوارتز بی‌رنگ یا رنگی را تولید کرد.

در سال‌های اخیر، کریستال‌های کوارتز دوباره‌رشد‌یافته‌ی دروزی (regrown quartz) در بازار جواهرات چین باب شده‌اند. در این روش، لایه‌ای از کوارتز مصنوعی روی سطح یک کوارتز طبیعی رشد داده می‌شود. وجود اینکلوژن‌ها و ظاهری تقریباً یکسان با کوارتز طبیعی، شناسایی این کریستال‌ها را در آزمایشگاه گوهرشناسی دشوار کرده است. بررسی همین ویژگی‌ها می‌تواند به درک روند رشد مجدد کمک کند. پژوهش‌های پیشین بیشتر روی توپوگرافی سطح و ویژگی‌های اینکلوژنی و اپتیکی این کریستال‌ها متمرکز بوده‌اند. اما ریزساختار و ویژگی‌های طیفی بخش طبیعی و بخش مصنوعی هنوز به‌خوبی بررسی نشده بودند. همین جای خالی می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره ساختار، ترکیب و شرایط شکل‌گیری این کریستال‌ها در طول فرآیند رشد مجدد به دست بدهد.

نمونه‌برداری و روش بررسی در این پژوهش

پژوهشگران برای این مطالعه، نمونه‌های کوارتز دوباره‌رشد‌یافته را از بازار کریستال Donghai در استان جیانگ‌سو چین جمع‌آوری کردند؛ بزرگ‌ترین مرکز تجارت سنگ کریستال (کوارتز) در این کشور. هر نمونه دروزی، یعنی هر خوشه‌ی تجمعی از بلورهای کوارتز، بین 10 تا 20 تک‌بلور داشت. از میان این خوشه‌ها، شش تک‌بلور (Q-1-1 تا Q-1-3 و Q-2-1 تا Q-2-3) برای مشاهده و اندازه‌گیری جدا شدند. پژوهشگران در کنار بررسی این نمونه‌ها، از کارخانه‌های تولید کوارتز سنتتیک هم بازدید کردند. آن‌ها ریزساختار و ویژگی‌های طیفی نمونه‌ها را تجزیه‌وتحلیل کردند و درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری‌شان بحث کردند. در این بررسی، از سیستم توموگرافی کامپیوتری سه‌بعدی (3D) و قابلیت تشخیص هوشمند آن در تصویربرداری بصری استفاده شد تا تصویری سه‌بعدی از ویژگی‌های ریزساختاری این کریستال‌های دوباره‌رشد‌یافته به دست بیاید.

کوارتز سنتتیک با رشد مجدد — شکل 1. نمونه تجمعی کریستال کوارتزهایی با رشد مجدد (regrown quartz) بالا Q-1 (a) و پایین Q-2 (b) بررسی شده است.

نتایج و یافته‌های پژوهش

1. ویژگی‌های گوهرشناسی

نمونه‌های بررسی‌شده شفاف و بی‌رنگ هستند، هرچند در برخی نواحی رنگ سبز هم دیده می‌شود. ضریب شکست آن‌ها بین 1.54 تا 1.55 و وزن مخصوصشان بین 2.62 تا 2.65 است. سختی این نمونه‌ها هم به عدد 7 می‌رسد (جدول 1). از نظر ترکیب شیمیایی، همه‌ی نمونه‌ها عمدتاً از سیلیکات SiO2 ساخته شده‌اند. عناصر کم‌مقدار دیگری مثل Al، Mg، Na، K و Ca هم در آن‌ها دیده می‌شود (جدول 2)؛ همان عناصری که در کوارتز طبیعی هم حضور دارند.

جدول 1. مشخصات گوهرشناسی اولیه از نمونه بلورهای کوارتز با رشد مجدد مورد بررسی.

جدول 2. ترکیب شیمیایی نمونه بلورهای کوارتز با رشد مجدد مورد بررسی (درصد وزنی wt%).

همه‌ی نمونه‌ها در برابر امواج ماوراءبنفش UV، چه موج بلند و چه موج کوتاه، هیچ واکنشی نشان نمی‌دهند. زیر میکروسکوپ گوهرشناسی هم می‌شود دید که این بلورهای دوباره‌رشد‌یافته اینکلوژن‌های گاز-مایع دارند. این اینکلوژن‌ها در صفحات منحنی و نامنظم، در جهات گوناگون گسترش یافته‌اند؛ درست همان ویژگی‌ای که به‌عنوان یکی از نشانه‌های داخلی کوارتز طبیعی شناخته می‌شود (شکل 2). بنابراین، ویژگی‌های گوهرشناسی پایه‌ی کوارتز دوباره‌رشد‌یافته، تفاوت چشمگیری با کوارتز طبیعی نشان نمی‌دهد.

شکل 2. اینکلوژنهای معمولی گاز-مایع در کریستال کوارتزهایی با رشد مجدد.

2. ویژگی‌های میکروساختاری

تصویربرداری سه‌بعدی از بخش‌های مختلف این کریستال‌ها، با سیستم توموگرافی کامپیوتری سه‌بعدی و کمک قابلیت تشخیص هوشمند نرم‌افزار تصویربرداری بصری انجام شد. نتیجه، تفاوت‌های ریزساختاری روشنی را نشان داد. در نمای جانبی تصویر سه‌بعدی (شکل 3a)، بخش طبیعی پر است از منافذی در ابعاد میکرون تا میلی‌متر، با حجمی بین 5^10 × 8 µm3 تا 0.17 mm3. اما بخش سنتتیک وضع دیگری دارد: تخلخل آن بسیار کمتر است و تعداد منافذش هم بسیار معدود؛ حجم روزنه‌ها در این بخش از 4^10 × 6 µm3 فراتر نمی‌رود. در نمای بالای تصویر سه‌بعدی (شکل 3b) هم می‌شود دید که بیشتر منافذ نمونه‌ها، در امتداد یا نزدیک خط اتصال دو بخش قرار گرفته‌اند. این منافذ می‌توانند توخالی باشند یا با فازهای گاز، سیال، یا گاز-مایع پر شده باشند.

شکل 3. تصاویر سه بعدی از ویژگی های میکروساختار بلور کوارتز با رشد مجدد. “(a) بالا” تصویر نمای جانبی، “(b) پایین” تصویر نمای بالا. (داخل خط نقطه چین —– بخش طبیعی؛ خارج از خط نقطه —– بخش سنتتیک).

3. ویژگی‌های طیفی در مادون‌قرمز

طیف مادون‌قرمز بخش طبیعی و بخش سنتتیک، عمدتاً در محدوده 3300 تا 3600 cm-1 با هم تفاوت دارند. بخش طبیعی سه پیک جذبی در 3310، 3378 و 3484 cm-1 نشان می‌دهد؛ بخش سنتتیک هم پیک‌های مشخصی در 3400، 3440 و 3585 cm-1 دارد (شکل 4). طبق مطالعات پیشین، پیک‌های 3310، 3378 و 3484 در کوارتز طبیعی به گروه هیدروکسیل (OH) موجود در ساختار آن مربوط می‌شوند. در کوارتز سنتتیک، وضعیت این گروه هیدروکسیل تحت تأثیر کاتیون‌های قلیایی محلول رشد (عمدتاً Na+، K+ و Li+) تغییر می‌کند؛ همین موضوع باعث جذب در 3400، 3440 و 3585 می‌شود.

شکل 4. طیف مادون قرمز مقطع طبیعی و بخش سنتتیک کریستال کوارتز با رشد مجدد.

مکانیزم رشد و تفاوت آن با کوارتز طبیعی

لایه مصنوعی این کریستال‌ها از نوع α-کوارتز است. کوارتز در دمای 573 درجه سانتیگراد از حالت α به β تبدیل می‌شود. به همین دلیل، دمای تبلور لایه سنتتیک باید معمولاً زیر همین 573 درجه بماند.

فرآیند رشد کوارتز سنتتیک هیدروترمال درون یک اتوکلاو انجام می‌شود. کوارتز ذوب‌شده یا قطعات شکسته‌ی رگه‌های کوارتز طبیعی، منبع SiO2 را تأمین می‌کنند. در کنار آن، یک محلول قلیایی (حاوی Na+، K+، Li+ و ترکیبات مشابه) نقش کانسنگ‌ساز را بازی می‌کند. فضای داخل اتوکلاو به دو بخش تقسیم می‌شود: منطقه انحلال مواد خام و منطقه تبلور. فشار این محیط 8^10 × 1.6~1.1 پاسکال است و دمایش بین 300 تا 380 درجه سانتیگراد؛ دمای منطقه انحلال کمی بالاتر است.

محیط بسته و کنترل‌شده‌ی اتوکلاو باعث می‌شود کوارتز مصنوعی در شرایطی نسبتاً یکنواخت و پایدار شکل بگیرد. همین یکنواختی می‌تواند دلیل عیوب و تخلخل کمتر آن باشد. کوارتز طبیعی اما داستان دیگری دارد: در طبیعت و در فضایی باز شکل می‌گیرد، جایی‌که دما، فشار، ترکیب سیال کانی‌ساز و عوامل دیگر مدام در حال تغییرند. همین بی‌ثباتی است که ویژگی‌های داخلی‌ای مثل اینکلوژن‌های گاز-مایع، اینکلوژن‌های معدنی، نگاتیو کریستال، ترک و نوار رنگی را در کوارتز طبیعی پدید می‌آورد.

در کریستال کوارتز با رشد مجدد، لایه سنتتیک درست روی سطح کوارتز طبیعی رشد کرده است. برای همین، زیر میکروسکوپ اینکلوژن‌هایی شبیه به کوارتز طبیعی از خود نشان می‌دهد و همین شباهت، شناسایی آن را با اشتباه همراه می‌کند. با این حال، یک سرنخ هست که می‌تواند این دو را از هم جدا کند: تفاوت در میزان عیب و تخلخل بین بخش طبیعی و بخش مصنوعی. این تفاوت نتیجه‌ی محیط متفاوت شکل‌گیری هر بخش است و در تصویر سه‌بعدی ریزساختاری کاملاً قابل مشاهده است. بخش طبیعی، یا سطح مشترک دو بخش، پر است از منافذی در ابعاد میکرون تا میلی‌متر؛ در حالی که بخش مصنوعی تخلخل بسیار کمتری دارد.

طیف مادون‌قرمز دو بخش هم همین تفاوت را تأیید می‌کند. در محدوده 3300 تا 3600 cm-1، قله‌های جذب دو بخش تفاوت قابل‌توجهی با هم دارند. این تفاوت عمدتاً به گروه OH برمی‌گردد؛ همان گروهی که از سیال یا محلول کانسنگ‌ساز وارد ساختار کریستال می‌شود. دلیل این تفاوت هم روشن است: کوارتز طبیعی و کوارتز سنتتیک، در طول تبلور، از نظر دما و ترکیب سیال کانسنگ‌ساز با هم فرق دارند. در بخش مصنوعی، حضور کاتیون‌های قلیایی محلول رشد (عمدتاً Na+، K+ و Li+) وضعیت گروه‌های OH را تغییر می‌دهد؛ همین تغییر باعث می‌شود ویژگی جذب مادون‌قرمز آن با بخش طبیعی فرق کند.

با کنار هم گذاشتن این یافته‌ها می‌توان نتیجه گرفت که تفاوت در شرایط شکل‌گیری، روی وضعیت گروه‌های OH موجود در ساختار SiO2 اثر می‌گذارد. همین اثر است که ویژگی‌های جذب متفاوتی را در بخش طبیعی و بخش سنتتیک کریستال‌های کوارتز دوباره‌رشد‌یافته رقم می‌زند.