Corundum

Корунд — это кристаллическая форма оксида алюминия (Al₂O₃), которая обычно содержит следовые количества железа, титана, ванадия и хрома. Как породообразующий минерал, он естественно прозрачен, но приобретает разные цвета в зависимости от того, какие примеси переходных металлов присутствуют в его кристаллической решётке. Его две основные драгоценные разновидности — рубин и сапфир. Рубин получает свой красный цвет от хрома, тогда как сапфир может быть разных цветов в зависимости от конкретного переходного металла; редкий розово-оранжевый тип известен как сапфир падпараджа. Название «корунд» происходит от тамильско-дравидийского слова kurundam (означающего рубин-сапфир), которое также встречается в санскрите как kuruvinda. Благодаря своей твёрдости — чистый корунд имеет 9,0 по шкале Мооса — он может царапать почти все другие минералы. Наждак, чёрная зернистая форма корунда, не имеющая ювелирной ценности, смешанная с магнетитом, гематитом или герцинитом, широко используется как абразив на наждачной бумаге и крупных инструментах для обработки металлов, пластмасс и дерева. Корунд также имеет плотность 4,02 г/см³ (251 фунт/куб. фут), что необычно высоко для прозрачного минерала, состоящего из элементов с низкой атомной массой, таких как алюминий и кислород. Корунд образуется в метаморфических обстановках, таких как слюдяные сланцы, гнейсы и некоторые мраморы. Он также встречается в магматических породах с низким содержанием кремнезёма, таких как сиенит и нефелиновый сиенит, а также в массивах рядом с ультраосновными интрузиями, вместе с дайками лампрофиров и в виде крупных кристаллов в пегматитах. Благодаря своей твёрдости и устойчивости к выветриванию, он часто встречается как обломочный минерал в речных и пляжных песках. Крупнейший задокументированный природный монокристалл корунда имел размеры около 65 см × 40 см × 40 см и весил 152 кг (335 фунтов), хотя этот рекорд с тех пор был побит некоторыми синтетическими булями. Абразивный корунд добывается в Зимбабве, Пакистане, Афганистане, России, Шри-Ланке и Индии. Исторически его добывали из месторождений, связанных с дунитами в Северной Каролине, США, и из нефелинового сиенита в Крейгмонте, Онтарио. Корунд наждачного качества встречается на греческом острове Наксос и недалеко от Пикскилла, Нью-Йорк, США. Синтетический абразивный корунд производится из боксита. Были обнаружены четыре корундовых топора, датируемых 2500 годом до н. э., из культуры Лянчжу и культуры Саньсинцунь в Китае (последняя — в районе Цзиньтань). В 1837 году Марк Антуан Годен создал первые синтетические рубины, нагревая глинозём с небольшим количеством хрома в качестве красителя. В 1847 году Ж. Ж. Эбельмен получил белые синтетические сапфиры, реагируя глинозём в борной кислоте. В 1877 году Френик и Фрейль получили кристаллический корунд, из которого можно было вырезать небольшие камни. Фрими и Огюст Вернёй изготовили искусственный рубин путём сплавления BaF₂ и Al₂O₃ с небольшими количествами хрома при температурах выше 2000 °C (3630 °F). В 1903 году Вернёй объявил о коммерческом процессе плавления в пламени для синтетических рубинов. Этот метод плавления в пламени позволяет получать безупречные монокристаллические сапфиры и рубины гораздо большего размера, чем встречающиеся в природе. Ювелирный синтетический корунд также можно выращивать с помощью флюсового роста и гидротермального синтеза. Поскольку методы синтеза просты, большие количества этих кристаллов теперь доступны на рынке по цене, составляющей лишь долю стоимости природных камней. Синтетический корунд оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем природный корунд, поскольку позволяет избежать разрушительной добычи и сохраняет ресурсы, но его производство является энергоёмким — что способствует выбросам углерода при использовании ископаемого топлива — и включает химические вещества, которые могут представлять опасность. Помимо декоративного использования, синтетический корунд применяется в механических деталях (трубки, стержни, подшипники и обработанные компоненты), устойчивых к царапинам оптических элементах, устойчивых к царапинам часовых стёклах, окнах приборов для спутников и космических аппаратов (благодаря своей прозрачности от ультрафиолета до инфракрасного диапазона) и лазерных компонентах. Например, главные зеркала детектора гравитационных волн KAGRA представляют собой сапфиры весом 23 кг (50 фунтов), а Advanced LIGO рассматривал сапфировые зеркала весом 40 кг (88 фунтов). Корунд также используется в керамической броне благодаря своей высокой твёрдости. Корунд кристаллизуется с тригональной симметрией в пространственной группе R3c, с параметрами решётки a = 4,75 Å и c = 12,982 Å в стандартных условиях. Его элементарная ячейка содержит шесть формульных единиц. Вязкость корунда зависит от шероховатости поверхности и кристаллографической ориентации и составляет от 6–7 МПа·м¹/² для синтетических кристаллов до примерно 4 МПа·м¹/² для природных. В его решётке атомы кислорода образуют слегка искажённую гексагональную плотнейшую упаковку, причём две трети октаэдрических позиций заняты ионами алюминия. Отсутствие алюминия в одной из трёх позиций нарушает симметрию гексагональной плотнейшей упаковки, понижая пространственную группу до R3c, а кристаллический класс — до тригонального, поэтому структуру иногда описывают как псевдогексагональную. Модуль Юнга для корунда (сапфира) сообщается в диапазоне от 300 до 500 ГПа, причём обычно указывается значение 345 ГПа. Он зависит от температуры: в направлении [0001] он составляет 435 ГПа при 323 К и 386 ГПа при 1273 К. Модуль сдвига равен 145 ГПа, а модуль объёмного сжатия — 240 ГПа. Монокристаллические корундовые волокна, которые перспективны для высокотемпературных композитов, демонстрируют модуль Юнга, сильно зависящий от кристаллографической ориентации вдоль оси волокна, достигая максимума 461 ГПа.