Zirkon nebo zirkonie? Kdo je kdo

?Dnes bude řeč o dalším drahokamovém chameleonovi - tentokrát nemění jen barvu, ale mate dokonce i svým jménem. Máte šperk se zirkonem? Nebo spíše se zirkonií? (délka blogu 8 min.)

Laická veřejnost často plete dva pojmy: zirkon a zirkonie. Na mysli má přitom krásně průhledné a diamanty připomínající kamínky, které jsou součástí levnějších šperků. Jak to tedy je? Máte na ruce prstýnek se zirkonem nebo se zirkonií? Jeden z nich se dá právem nazvat “metuzalémem”, druhému z nich je necelých padesát let.

Zirkon

Zirkon je přirozený minerál, který patří na naší planetě k těm nejstarším. Některé kameny jsou staré přes 4,4 miliardy roků. 

Minerál byl znám už před počátkem našeho letopočtu a středověk ho hojně využíval v léčitelství. To mu zůstalo dodnes. I v 21. století ještě někteří lidé věří, že zhoršuje epilepsii a léčí játra - když ho namočíte do vody a tu pak vypijete (bez kamene). 

Z pohledu chemika je zirkon přírodní silikát - ZrSiO4. Má poměrně vysokou hustotu (4,6 - 4,7 g/cm3) a tak je typickou “těžkou” součástí písků nebo pískovce. Obsahuje často určité množství přírodního uranu nebo thoria, je tedy zodpovědný za vyšší radioaktivitu na některých plážích. 

Opticky zajímavé přírodní zirkony se vybrušují a zhotovují se z nich drahokamy většinou oválného tvaru. 

Zirkonie

Ještě zajímavějším materiálem je ovšem zirkonie - nejoblíbenější (a umělý) drahokam. Zirkonie byly poprvé syntetizovány v Moskvě v sedmdesátých letech ve fyzikálním institutu akademie věd. Už pět let poté se ročně produkovalo na celém světě kolem deseti tun nového drahokamu. 

Dnes najdete zirkonie v levnějších špercích a dokonce i v bižuterii, v kombinaci s neušlechtilými kovy. 

Chemické složení zirkonie je úplně jednoduché - je to v podstatě oxid zirkoničitý - ZrO2. Tím ale veškerá jednoduchost končí. 

Zhotovení krásných, diamantům podobných krystalů sice není moc drahé, technologicky je ale dost náročné. Problém spočívá ve vysoké teplotě tání oxidu zirkoničitého. K tomu, aby se dal z oxidového prášku vypěstovat rozumně velký krystal, musí se totiž prášek nejprve roztavit. 

To se děje při opravdu vysoké teplotě (kolem 2700 °C) - pro srovnání… je to zhruba polovina povrchové teploty našeho Slunce. Zahřívání suroviny probíhá důmyslným způsobem: indukční cívka ze speciálního materiálu se postará o teplo a vodní chlazení o to, aby se neroztavilo její blízké okolí.  

Nejen vytvořit - ale také zavést takovou teplotu do materiálu vůbec není snadné. Oxid zirkoničitý je totiž nevodivý. Tento nedostatek se odstraňuje pomocí hoblin kovového zirkonu, které se míchají do výchozí suroviny. Kov se působením indukce roztaví a obklopí zrna oxidu, zatímco sám oxiduje. 

Na konci procesu je pak “kotlík” z povrchově nataveného materiálu, ve kterém se nachází tavenina, která později po ochlazení vytváří kýžené krystaly, podobné diamantům. 

Ale ani to není zrovna jednoduché. Objevuje se totiž další problém. Kýžené krystaly mají mít kubickou strukturu. Ta ale není pro krystaly přirozená -  při pokojové teplotě má ZrO2 jednoklonnou krystalickou mřížku. Ta se při zahřívání mění. Při zhruba 1170 °C se atomy v krystalech přeskupují a zaujímají pozice typické pro čtverečný systém.  Při přibližně 2370 °C přechází čtverečný systém do kubické formy.  (krystalografická soustava - viz https://cs.wikipedia.org/wiki/Krystalografick%C3%A1_soustava)

Kde je problém? Ten spočívá v tom, že různé krystalické mřížky mají různý objem. Pro zirkonii to znamená, že při vyšší teplotě najednou “chybí” v objemu nového krystalu hmota. To je samozřejmě nepříjemné, takový krystal totiž nemůže být stabilní. Ale i v tomto případě našli výrobci řešení. Krystaly stabilizují pomocí další látky, jejíž atomy se usazují tam, kde se vytvořil nedostatek hmoty. V praxi se nejčastěji používá yttrium nebo třeba vápník.  

Po překonání poslední překážky už nic nebrání v řízeném ochlazování taveniny a vzniku krystalů, ze kterých budou později vybroušeny náhražky diamantů. Tento syntetický a yttriem stabilizovaný kámen má totiž dobrou disperzi světla a vysoký index lomu, čímž se diamantům velice podobá. 

Disperze je závislost fázové rychlosti šíření vlny na její frekvenci. V praxi se projevuje tím, že se denní světlo, které dopadá na krystal, “třídí” na jednotlivé vlnové délky (barvy), které opouštějí materiál pod různými úhly. Jev znáte také jako tvorbu duhy na obloze. Tam se denní světlo “třídí” na jednotlivé barvy kapkami vody v atmosféře. 

Index lomu je zjednodušeně konstanta, která je závislá na druhu materiálu. Popisuje dráhu světelného paprsku v různých materiálech. Při přechodu z jednoho materiálu do druhého (zde ze vzduchu do krystalu a naopak) se mění dráha paprsku - “lomí” se pod určitým úhlem. 

Zirkonie se vyrábí nejen v bezbarvé variantě - ale také v mnoha různých barvách. O barevnost se tu (podobně jako v ostatních drahokamech, viz minulé blogy) starají zpravidla atomy přechodných kovů, které se zabudovaly do krystalické mřížky materiálu. Ty pak pohlcují určité vlnové délky světla, takže je výsledný kámen zbarvený těmi vlnovými délkami, které zbyly. 

Přidáním určitého “koktejlu” chemických prvků se dá mimochodem vyrobit také napodobenina (v minulém blogu zmíněného) alexandritu. Takový kámen pak pohlcuje určitou směs různých vlnových délek světla - a při různých druzích osvětlení vykazuje rozdílné barvy.