キュービックジルコニア

キュービックジルコニア
ラウンドブリリアントカットのキュービックジルコニア
一般的な
カテゴリ	酸化鉱物
結晶系	キュービック
識別
色	様々な
モース 硬度	8.0～8.5
比重	5.6～6.0 g/cm3
屈折率	2.15–2.18

立方晶ジルコニア（略称CZ ）は、二酸化ジルコニウム（ZrO ₂ ）の立方晶系です。合成された物質は硬く、通常は無色ですが、さまざまな色にすることができます。ジルコニウムケイ酸塩（ZrSiO ₄ ）であるジルコンと混同しないでください。誤って立方晶ジルコニウムと呼ばれることもあります。

合成キュービックジルコニアは、低コスト、耐久性、そしてダイヤモンドとの外見の類似性から、 1976 年に商業生産が開始されて以来、宝石学的にも経済的にもダイヤモンドの最も重要な競合相手であり続けています。合成宝石としての主な競合相手は、より最近に開発された素材である合成モアッサナイトです。

立方晶ジルコニアは結晶学的に 等方性であり、これはダイヤモンド類似品の重要な特性です。合成中、酸化ジルコニウムは自然に単斜 晶を形成し、通常の大気条件下では安定しています。立方晶 (蛍石構造をとる) を形成し、常温で安定させるには安定剤が必要です。通常、これはイットリウムまたは酸化カルシウムのいずれかであり、使用される安定剤の量は個々の製造業者の多くのレシピによって異なります。したがって、合成された CZ の物理的および光学的特性はさまざまであり、すべての値は範囲です。

キュービックジルコニアは密度が5.6～6.0 g/cm ³とダイヤモンドの約1.65倍の高密度物質です。キュービックジルコニアは比較的硬く、モース硬度は8～8.5で、ほとんどの半貴石天然宝石よりわずかに硬いです。^[1]屈折率は2.15～2.18と高く（ダイヤモンドは2.42）、光沢はアダマンチン光沢です。分散は0.058～0.066と非常に高く、ダイヤモンド（0.044）を上回っています。キュービックジルコニアには劈開がなく、貝殻状の破壊を示します。硬度が高いため、一般的に 脆いと考えられています。

短波紫外線下では、キュービックジルコニアは通常、黄色、緑がかった黄色、または「ベージュ」の蛍光を発します。長波紫外線下では、その効果は大幅に減少し、白っぽい輝きが見られることもあります。色付きの石は、強力で複雑な希土類 吸収スペクトルを示す場合があります。

1892年に発見された黄色がかった単斜晶系の鉱物バデレイトは、天然の酸化ジルコニウムです。^[2]

ジルコニアの融点が高い（2750℃または4976℉）ため、単結晶の制御された成長が妨げられる。しかし、立方晶系酸化ジルコニウムの安定化は早くから実現されており、合成製品である安定化ジルコニアが1929年に導入された。立方晶系ではあるが、多結晶 セラミックの形をしており、化学的および熱的攻撃（最大2540℃または4604℉）に対して非常に耐性のある耐火材料として使用された。^[3]

1937年、ドイツの鉱物学者MVスタッケルベルクとK.チュドバは、メタミクトジルコンに含まれる微細粒子の形で天然の立方晶ジルコニアを発見した。これはメタミクト化過程の副産物であると考えられていたが、2人の科学者は正式な名前を付けるほど重要な鉱物ではないと考えていた。この発見はX線回折によって確認され、合成生成物の天然対応物の存在が証明された。^{[4] [5]}

合成 ダイヤモンド代替品の大半と同様に、単結晶キュービックジルコニアを製造するというアイデアは、レーザーやその他の光学用途に使用するための新しい多用途材料を求めていた科学者の頭に浮かびました。その生産量は最終的に、合成チタン酸ストロンチウム、合成ルチル、YAG（イットリウム アルミニウム ガーネット）、GGG（ガドリニウム ガリウムガーネット） などの以前の合成品の生産量を上回りました。

立方晶ジルコニアの制御された単結晶成長に関する最も初期の研究のいくつかは、1960 年代のフランスで行われ、多くの研究は Y. Roulin と R. Collongues によって行われました。この技術では、溶融ジルコニアをまだ固体のジルコニアの薄い殻の中に閉じ込め、溶融物から結晶を成長させます。このプロセスは、使用された水冷システムにちなんでコールド クルーシブルと名付けられました。有望ではありましたが、これらの試みでは小さな結晶しか得られませんでした。

その後、モスクワのレベデフ物理学研究所のレーザー機器研究室のVVオシコ率いるソ連の科学者たちがこの技術を完成させ、当時はスカル・クルーシブル（水冷容器の形、あるいは時々成長する結晶の形を暗示）と名付けられた。彼らはこの宝石を、研究所の名前であるFIAN（科学アカデミー物理学研究所）にちなんでフィアニットと名付けたが、この名前はソ連国外で使用されなかった。 ^[要出典]当時、この研究所はロシア科学アカデミー物理学研究所として知られていた。^[6]彼らの画期的な発見は1973年に発表され、商業生産は1976年に始まった。^[7] 1977年、キュービックジルコニアは、94%のイットリアで安定化された結晶を使用して、セレス社によってジュエリー市場で大量生産され始めた。1993年時点での他の主要生産者には、台湾クリスタルカンパニーリミテッド、スワロフスキー、ICTインクなどがある。^{[8] [5]} 1980年までに、世界の年間生産量は6000万カラット（12トン）に達し、その後も増加を続け、1998年には年間生産量が約400トンに達した。^[8]

天然のキュービックジルコニアは非常に希少であるため、ジュエリーに使用されるキュービックジルコニアはすべて合成されており、その方法の1つは1997年にJosep F. Wenckus＆Co.によって特許を取得しました。 ^{[9] [10] [11]}

1997年にジョゼップ・F・ウェンクスと同僚らが改良した頭蓋骨溶解法は、現在でも業界標準となっている。これは主に、この方法では3000℃以上の温度に達することができ、るつぼと材料が接触せず、ガス雰囲気を自由に選択できることによる。この方法の主な欠点は、生成される結晶の大きさを予測できないことと、温度変化による結晶化プロセスを制御できないことである。^{[3] [12]}

このプロセスで使用される装置は、カップ型のるつぼと、それを囲む高周波活性化（RF活性化）銅コイル、および水冷システムで構成されています。^{[3] [13]}

安定剤（通常 10% の酸化イットリウム）と十分に混合された二酸化ジルコニウムが、冷たいるつぼに投入されます。ジルコニウムまたは安定剤の金属片が、コンパクトな山のように粉末混合物に投入されます。RF ジェネレーターのスイッチがオンになると、金属片は急速に加熱され、容易に酸化されてより多くのジルコニアになります。その結果、周囲の粉末が熱伝導によって加熱され、溶解し始め、次に導電性になり、RF ジェネレーターによっても加熱され始めます。これは、製品全体が溶解するまで続きます。るつぼの周囲の冷却システムにより、焼結固体材料の薄いシェルが形成されます。これにより、溶融ジルコニアは粉末内に閉じ込められたままになり、るつぼからの汚染を防ぎ、熱損失を減らします。溶融物は、均質性を確保し、すべての不純物が蒸発したことを確認するために、数時間高温で放置されます。最後に、るつぼ全体をゆっくりとRFコイルから取り出して加熱を減らし、ゆっくりと冷却します（下から上へ）。るつぼをRFコイルから取り出す速度は、相転移図によって決まる結晶化の安定性に応じて選択します。これにより結晶化プロセスが開始され、有用な結晶が形成され始めます。るつぼが完全に室温まで冷却されると、結果として生じる結晶は複数の細長い結晶ブロックになります。^{[12] [13]}

この形状は、ティラーによる結晶変性と呼ばれる概念によって決定されます。得られる結晶のサイズと直径は、るつぼの断面積、溶融物の体積、溶融物の組成によって決まります。^{[3]結晶の直径は、Y} ₂ O ₃安定剤の濃度に大きく影響されます。

相図からわかるように、溶液が冷却されると、 Y 2 O 3 の濃度に関係なく、立方相が最初に結晶化します_{。 Y 2 O 3 の濃度が十分に高くない場合、立方構造は正方相に分解し始め、次に単斜相に分解します。 Y 2} O ₃の濃度_が2.5 _～ 5 % の場合、_結果として_生じる生成物は PSZ (部分安定化ジルコニア) であり、単相立方結晶は 8～40% 程度から形成されます。 14% 未満では成長速度が低いため不透明になる傾向があり、固溶体で部分的な相分離が見られます (結晶が高温領域に長時間留まると拡散するためと考えられます)。 このしきい値を超えると、結晶は適切な成長速度で透明なままになる傾向があり、良好なアニーリング条件を維持します。^[12]

キュービックジルコニアは同形性があるため、いくつかの元素をドープして結晶の色を変えることができます。特定のドーパントと、それらの添加によって生成される色のリストを以下に示します。

• 
  チェッカーボードカットのパープルキュービックジルコニア
• 
  マルチカラーキュービックジルコニア
• 
  3トーンのキュービックジルコニア宝石
• 
  イエローキュービックジルコニア

YCZ（イットリウム含有立方ジルコニア）結晶の大部分は透明で、光学的完全性が高く、屈折率の勾配は 未満です。^[12]しかし、一部のサンプルには欠陥が含まれており、最も特徴的で一般的なものを以下に挙げます。 ${\displaystyle 5\times 10^{-5}}$

• 成長縞: これらは結晶の成長方向に対して垂直に位置し、主に結晶成長速度の変動または液体から固体への転移の不一致の性質によって引き起こされ、 Y ₂ O ₃の不均一な分布につながります。
• 光散乱相介在物: 結晶内の汚染物質 (主にイットリウムのケイ酸塩またはアルミン酸塩の沈殿物) によって発生し、通常は大きさが 0.03 ～ 10 μm です。
• 機械的応力: 通常は成長と冷却のプロセスにおける高温勾配によって発生し、内部の機械的応力が作用する状態で結晶が形成されます。これにより、屈折率の値は最大になりますが、2100 °C でアニールした後、十分にゆっくりとした冷却プロセスを行うことで、この影響を軽減できます。${\textstyle 8\times 10^{-4}}$
• 転位: 機械的応力と同様に、転位もアニーリングによって大幅に減少します。

イットリウムキュービックジルコニア（YCZ）は、その光学特性により、窓、レンズ、プリズム、フィルター、レーザー素子などに使用されています。特に化学業界では、化学的安定性と機械的強度により、腐食性液体の監視用の窓材として使用されています。YCZは、同様の業界で半導体や超伝導フィルムの基板としても使用されています。^[12]

部分安定化ジルコニアの機械的特性（高硬度、高耐衝撃性、低摩擦係数、高耐薬品性、高耐熱性、高耐摩耗性）により、特にバイオエンジニアリング産業において、非常に特殊な建築材料として使用することができます。生体組織に適合し、鋼鉄製のものよりもはるかに滑らかな刃を持つ、信頼性の高い超鋭利な医療用メスの製造に使用されています。^[12]

近年^{[いつから? ] 、}製造業者はキュービックジルコニアを「改良」することで自社製品を差別化する方法を探ってきました。完成したキュービックジルコニアをダイヤモンドのような炭素(DLC) の膜でコーティングすることは、化学蒸着法を使用したプロセスで、そのような革新の 1 つです。結果として得られる材料は、より硬く、より光沢があり、全体的にダイヤモンドに似ていると言われています。コーティングは、キュービックジルコニアの過剰な熱を消し、屈折率を向上させるため、よりダイヤモンドに似ていると考えられています。さらに、アモルファスダイヤモンドコーティングにはダイヤモンド結合の割合が高いため、完成した模造品はラマンスペクトルで正のダイヤモンドシグネチャを示します。

クォーツとトパーズに最初に適用された別の技術も、キュービックジルコニアに採用されました。これは、完成した石に貴金属（通常は金）、または特定の金属酸化物、金属窒化物、またはその他のコーティングの非常に薄い層を真空スパッタリングすることで作成される虹色効果です。^[14]この材料は多くのディーラーによって「神秘的」として販売されています。ダイヤモンドのような炭素やその他の硬い合成セラミックコーティングとは異なり、貴金属コーティングで作られた虹色効果は、非常に耐久性のあるキュービックジルコニア基板と比較して、硬度が極端に低く、摩耗特性が悪いため、耐久性がありません。

キュービックジルコニアはダイヤモンドと以下の点で異なります:

• 硬度: キュービックジルコニアのモース硬度はダイヤモンドの10に対して約8です。 ^[1]このため、キュービックジルコニアのファセットのエッジは鈍く丸みを帯びることがあります。これに比べると、ダイヤモンドのファセットのエッジははるかに鋭いです。さらに、ダイヤモンドには研磨痕がほとんど見られず、目立つ場合でも隣接するファセットで異なる方向を向いていますが、キュービックジルコニアでは研磨痕が全体的に同じ方向に見られます。^[13]
• キュービックジルコニアの比重 または密度はダイヤモンドの約1.7倍です。これにより、宝石学者は重量だけで2つの物質を区別することができます。この特性は、たとえば、石を重い液体に落とし、相対的な沈下速度を比較することによっても利用できます。ダイヤモンドはCZよりもゆっくりと沈みます。[ ^13]
• 屈折率：キュービックジルコニアの屈折率は2.15～2.18で、ダイヤモンドの2.42に比べて高い。このため、他の浸漬法による鑑別が開発されている。これらの方法では、使用した液体よりも屈折率が高い石はガードルの周囲に暗い縁、明るいファセットの縁が現れ、液体よりも屈折率が低い石はガードルの周囲に明るい縁、暗いファセットの縁が現れます。^[13]
• 分散は0.058～0.066 と非常に高く、ダイヤモンドの 0.044 を超えています。
• カット: キュービックジルコニア宝石はダイヤモンドとは異なる方法でカットされます。ファセットのエッジは丸みを帯びたり、「滑らか」になったりします。
• 色: ダイヤモンドの中で本当に無色なのはごく稀で、ほとんどのダイヤモンドはある程度黄色や茶色がかっています。キュービックジルコニアは完全に無色であることが多く、ダイヤモンドのカラーグレーディングスケールで完璧な「D」に相当します。とはいえ、ほぼ無色、黄色、ピンク、紫、緑、さらには多色など、望ましい色のキュービックジルコニアを生産できます。
• 熱伝導率：キュービックジルコニアは熱絶縁体であるのに対し、ダイヤモンドは最も強力な^[要出典]熱伝導体である。これが、業界標準であるウェンクスの標準識別方法の基礎となっている。^[12]

キュービックジルコニアはダイヤモンドの類似品および宝石の競合品として、紛争ダイヤモンドの需要を減らす可能性があり、ダイヤモンドの希少性と価値をめぐる論争に影響を与える可能性があります。^{[15] [16]}

価値に関して言えば、ダイヤモンドは希少性と見た目の美しさから高価であるというパラダイムは、1870年代から2000年代初頭まで市場を独占していたデビアス社の価格操作による人工的な希少性に取って代わられた。 ^{[15] [ 16] [ 15 ] [16]}同社は2004年7月13日にオハイオ州の裁判所でこれらの罪状を認めた。 ^{[15] [17]}しかし、デビアスの市場支配力は低下しているものの、インドや中国などの新興市場での需要によりダイヤモンドの価格は上昇し続けている。^[15]ダイヤモンドに似た光学特性を持つキュービックジルコニアなどの人工石の出現は、その低価格と論争のない歴史を考えると、宝石購入者にとって代替品となる可能性がある。

独占と密接に関連する問題として、紛争ダイヤモンドの出現がある。キンバリープロセス（KP）は、アンゴラとシエラレオネの内戦の資金源となっているダイヤモンドの違法取引を抑止するために設立された。^[18]しかし、キンバリープロセスは、欧米の市場に流入する紛争ダイヤモンドの数を減らすのにそれほど効果的ではない。その定義には、強制労働や人権侵害は含まれていない。^{[18] [19]}イナフ・プロジェクトの2015年の調査によると、中央アフリカ共和国のグループは紛争ダイヤモンドから年間300万～600万米ドルの利益を上げている。^[20]国連の報告書によると、キンバリープロセス設立以来、2,400万米ドル以上の紛争ダイヤモンドが密輸されている。^[21]ダイヤモンド模造品は、非倫理的な行為への資金提供をボイコットする代替手段となっている。^[20]「環境に優しいジュエリー」などの用語は、それらを紛争に関係のない起源と環境的に持続可能なものとして定義している。^{[22]しかし、}コンゴ民主共和国などの鉱山国は、ダイヤモンドの購入をボイコットすれば経済が悪化するだけだと懸念している。コンゴ鉱山省によると、国民の10％がダイヤモンド収入に依存している。^[18]そのため、キュービックジルコニアは紛争を減らすための短期的な代替手段だが、長期的な解決策としては、これらの石の原産地を特定するより厳格なシステムを確立することだろう。

• ダイヤモンド
• ダイヤモンド模造品
• シェルビー宝石工場
• 合成ダイヤモンド
• イットリア安定化ジルコニア

• ナッソー、カート（1980年）。『人間が作った宝石』チルトンブックカンパニー。ISBN 0-8019-6773-2。