ダイヤモンド類似物質

モース硬度は、一般的な鉱物の傷つきにくさを非線形的に表した尺度です。ダイヤモンドはこの尺度の最上位（硬度10）に位置し、知られている天然物質の中で最も硬いものの1つです。（凝集したダイヤモンドナノロッドなどの一部の人工物質は、これよりも硬いです。）ダイヤモンドは、他のダイヤモンド以外に傷をつけることができる物質に遭遇する可能性が低いため、ダイヤモンドの宝石は通常、傷がありません。ダイヤモンドの硬さは、完全に平らで非常に光沢のあるファセット（金剛石と表現される）と、くっきりとした鋭いファセットエッジによって、顕微鏡やルーペで視覚的にも明らかです。ダイヤモンドの模造品が効果を発揮するには、ほとんどの宝石に比べて非常に硬くなければなりません。ほとんどの模造品はダイヤモンドの硬度には遠く及ばないため、外見上の欠陥や研磨の悪さによってダイヤモンドと区別することができます。

つい最近まで、いわゆる「窓ガラステスト」はダイヤモンドを確実に識別する方法として広く考えられていました。これは、疑わしいダイヤモンドの宝石をガラス板にこすりつけるという、潜在的に破壊的なテストです。ガラスに傷がつき、宝石には傷がつかない場合は陽性です。ガラスの代わりに、コランダム（硬度9）製の硬度点やスクラッチプレートを使用することもあります。硬度テストは、次の3つの理由から推奨されません。ガラスはかなり柔らかく（通常6以下）、多くの材料（多くの模造品を含む）で傷がつく可能性があります。ダイヤモンドには、テストプロセスによって誘発される可能性のある、完全かつ容易な劈開（ダイヤモンドが割れる可能性のある構造的弱面）の方向が4つあります。そして、多くのダイヤモンドに似た宝石（古い模造品を含む）は、それ自体で価値があります。

宝石ダイヤモンドの比重（SG）または密度は、3.52でほぼ一定です。ほとんどの模造ダイヤモンドはこの値よりはるかに高いか、わずかに低いため、石留めされていない状態であれば容易に識別できます。この目的には、ジヨードメタンなどの高密度液体を使用できますが、これらの液体はすべて毒性が非常に高いため、通常は使用を避けます。より実用的な方法は、疑わしいダイヤモンドの予想されるサイズと重量を、実際に測定されたパラメータと比較することです。たとえば、立方晶ジルコニア（SG 5.6～6）は、同サイズのダイヤモンドの予想される重量の1.7倍になります。

ダイヤモンドは通常、輝き（見る人に反射される光の量）とファイア（色鮮やかなプリズムの閃光が見える度合い）を引き出すためにブリリアントカットにされます。これらの特性はどちらも石のカットに大きく影響されますが、ダイヤモンドの高い屈折率（RI：入射光が石に入射する際に屈折する度合い）2.417（ナトリウム光、589.3 nmで測定）と高い分散（白色光が石を通過する際にスペクトル色に分解される度合い）0.044（ナトリウムB線とG線の間隔で測定）によって決まります。したがって、ダイヤモンド模造品のRIと分散が低すぎると、比較的鈍く「生命感がない」ように見え、RIと分散が高すぎると、非現実的、あるいは安っぽい印象を与えます。RIと分散がダイヤモンドに非常に近い模造品はごくわずかで、たとえ近い模造品であっても、熟練した観察者であれば見分けることができます。屈折率と分散を直接測定することは現実的ではない（標準的な宝石用屈折計の上限は約1.81である）が、いくつかの企業は、赤外線ビームの反射率を測定することで、材料の屈折率を間接的に測定する反射率計を開発している。 

おそらく同じくらい重要なのは光学特性です。ダイヤモンドやその他の立方晶系（および非晶質）材料は等方性であり、これは石に入射する光がどの方向から入っても同じように振る舞うことを意味します。逆に、ほとんどの鉱物は異方性であり、複屈折、つまり光軸（複屈折性材料における単屈折の方向）以外のすべての方向から材料に入射する光が二重に屈折する現象が生じます。低倍率では、この複屈折は通常、カットされた宝石の背面ファセットや内部の欠陥が視覚的に二重に見えることで検出できます。したがって、効果的なダイヤモンド模造品は等方性である必要があります。

長波長（365  nm）の紫外線照射下では、ダイヤモンドは青、黄、緑、藤色、または赤など、さまざまな強度で蛍光を発します。最も一般的な蛍光は青色ですが、ダイヤモンドは黄色に燐光を発することもあり、これは宝石の中でも珍しい組み合わせと考えられています。多くのダイヤモンド類似石とは対照的に、短波長の紫外線にはほとんど反応しません。同様に、ほとんどのダイヤモンド類似石は人工物であるため、均一な性質を持つ傾向があります。複数のダイヤモンドがあしらわれた指輪では、個々のダイヤモンドはそれぞれ異なる蛍光を発する（色や強度が異なり、中には不活性なものもある）と予想されます。すべての石が同じように蛍光を発する場合、それらは天然ダイヤモンドではない可能性が高いです（ただし、合成ダイヤモンドでもこのような結果になることがあります）。

ほとんどの「無色」ダイヤモンドは実際にはある程度黄色または茶色に着色されていますが、一部の人工模造品は完全に無色で、ダイヤモンドの色用語でいうところの完璧な「D」に相当します。この「あまりにも良すぎて信じられない」という要素は考慮すべき重要な点です。ファンシーダイヤモンドを模倣した着色ダイヤモンド模造品は、この点では見分けにくいですが、模造品の色が本物に近いことはめったにありません。ほとんどのダイヤモンド（無色のものも含む）では、（直接観察分光器で）415 nmの細い線からなる特徴的な吸収スペクトルが見られます。人工模造品に色を付けるために使用されるドーパントは、ダイヤモンドでは決して見られない複雑な希土類吸収スペクトルとして検出される可能性があります。 

また、ほとんどのダイヤモンドには、内部および外部に特定の欠陥または内包物が存在し、最も一般的なものは亀裂と固体の異物結晶です。人工模造品は通常、内部に欠陥がなく、存在する欠陥は製造工程の特徴です。天然模造品に見られる内包物は、多くの場合、ダイヤモンドに見られるものとは異なり、最も顕著なのは液状の「羽根」内包物です。ダイヤモンドのカット工程では、元の結晶の表面の一部がそのまま残ることがよくあります。これらはナチュラルと呼ばれ、通常は石のガードルにあり、三角形、長方形、または正方形のピット（エッチングマーク）の形をとり、ダイヤモンドにのみ見られます。

ダイヤモンドは非常に優れた熱伝導体であり、通常は電気絶縁体です。この特性は、電子式熱プローブを用いてダイヤモンドと模造品を区別する際に広く利用されています。このプローブは、細い銅製の先端に取り付けられた一対の電池式サーミスタで構成されています。一方のサーミスタは加熱装置として機能し、もう一方は銅製の先端の温度を測定します。検査対象の石がダイヤモンドであれば、先端の熱エネルギーが十分に速く伝導され、測定可能な温度低下が生じます。ほとんどの模造品は熱絶縁体であるため、サーミスタの熱は伝導されません。この検査は約2～3秒かかります。唯一の例外は、ダイヤモンドと似た熱伝導率を持つモアッサナイトです。古いプローブはモアッサナイトに騙される可能性がありますが、最新の熱伝導率および電気伝導率テスターは、2つの材料を区別できるほど高度になっています。最新の開発は、ナノダイヤモンドコーティングと呼ばれる、極めて薄いダイヤモンド材料の層です。適切に検査しないと、ダイヤモンドと同じ特性を示す可能性があります。

ダイヤモンドの電気伝導性は、青色または灰青色の石にのみ関係する。なぜなら、これらの石の色を決定づける格子間ホウ素が、同時に半導体としての性質も持っているからである。したがって、青色のダイヤモンドが疑われる場合、電気回路が正常に完成すれば、それが青色のダイヤモンドであると断定できる。

「屈折率」の欄には、単屈折物質の場合は1つの屈折率、複屈折物質の場合は屈折率の範囲が表示されます。

鉛、アルミナ、タリウムを用いて屈折率と分散性を高めるフリントガラスの製造は、バロック後期に始まりました。フリントガラスはブリリアントカットされ、カット直後は驚くほど効果的なダイヤモンドの模造品となります。ラインストーン、ペースト、ストラスなどと呼ばれるガラス模造品は、アンティークジュエリーによく見られる特徴です。このような場合、ラインストーンはそれ自体が貴重な歴史的遺物となることがあります。鉛によってもたらされる非常に柔らかい性質（硬度6以下）は、ラインストーンのファセットの縁と面がすぐに丸くなり、傷がつくことを意味します。貝殻状断口、石の中の気泡や流れ線といった特徴と相まって、これらの特徴により、中程度の倍率でガラス模造品を簡単に見分けることができます。現代の製造では、ガラスをカットして形作るよりも成形する方が一般的です。このような石では、ファセットは凹面になり、ファセットの縁は丸みを帯び、成形痕や継ぎ目が見られることもあります。ガラスは他の材料と組み合わせて複合材料を作るためにも用いられている。

最初の結晶性人工ダイヤモンド類似物は、合成ホワイトサファイア（Al₂O₃、純粋なコランダム）とスピネル（MgO・Al₂O₃、純粋なマグネシウムアルミニウム酸化物）でした_。どちらも20世紀_初頭からヴェルヌイユ法_または火炎溶融法によって大量に合成されてきましたが、スピネルが広く使用されるようになったのは1920年代になってからです。ヴェルヌイユ法では、逆さまにした酸素水素吹き管を使用し、精製された原料粉末を酸素と混合して吹き管に慎重に通します。原料粉末は酸素水素炎の中を落下し、溶融して、回転しながらゆっくりと下降する台座の上に落ちます。台座の高さは、炎の下の最適な位置に常に維持されるように調整され、数時間かけて溶融粉末が冷却され、結晶化して、単一の有柄洋ナシ形またはブール形の結晶が形成されます。この製法は経済的で、直径最大9センチメートル（3.5インチ）の結晶を育成できる。現代のチョクラルスキー法で育成されたブールは、数キログラムの重さになることもある。 

合成サファイアとスピネルは、耐久性のある素材（硬度9と8）で、研磨も容易ですが、ダイヤモンドに比べて屈折率がはるかに低い（サファイアは1.762～1.770、スピネルは1.727）ため、カットしても「生命感がない」印象です。（合成サファイアは異方性も持つため、見分けやすいという利点もあります。）屈折率が低いということは、分散もはるかに低い（0.018と0.020）ため、ブリリアントカットにしてもダイヤモンドのような輝きはありません。それでも、合成スピネルと合成サファイアは、1920年代から1940年代後半に、より新しく優れた模造品が登場するまで、人気の高いダイヤモンド模造品でした。また、両者は他の素材と組み合わせて複合材を作ることもあります。合成サファイアのかつての商品名には、Diamondette、Diamondite、Jourado Diamond'、Thrilliantなどがあります。合成スピネルの名称には、コランドライト、ラスタージェム、マガルックス、ラディアントなどがある。

光学的に「改良された」模造石の第一号は、合成ルチル（TiO₂、純粋な酸化チタン）でした_。1947～48年に登場した合成ルチルは、カットすると非常に輝きが長持ちします。ダイヤモンドの模造石としては、むしろ輝きが長すぎると言えるかもしれません。合成ルチルの屈折率と分散（2.8と0.33）はダイヤモンドよりもはるかに高いため、出来上がったブリリアントカットのダイヤモンドは、プリズムのような色彩を放ち、まるでオパールのように見えます。また、合成ルチルは複屈折性も持ち合わせています。この特性を隠すために、テーブル面を光軸に垂直にカットした石もありますが、石を少し傾けるだけで、裏面の二重になったファセット面が現れます。

合成ルチルの継続的な成功は、製造業者が解決できなかった、この素材の避けられない黄色の色合いによっても妨げられていました。しかし、さまざまな金属酸化物ドーパントを使用して、青や赤を含むさまざまな色の合成ルチルが製造されました。これらとほぼ白色の石は、本物ではないにもかかわらず、非常に人気がありました。合成ルチルはまた、かなり柔らかく（硬度約6）、脆いため、摩耗しにくいです。これは、3番目の酸素パイプを使用して三角錐バーナーを作成するベルヌーイ法の改良によって合成されます。これは、チタンの酸化に伴う酸素損失がはるかに大きいため、単結晶を生成するために必要です。この技術は、ニュージャージー州サウスアンボイに拠点を置くナショナルリード社（後のNLインダストリーズ）のチャールズ・H・ムーア・ジュニアによって発明されました。ナショナルリード社とユニオンカーバイド社は合成ルチルの主要生産者であり、年間生産量のピークは75万カラット（150kg）に達しました。合成ルチルに用いられる多くの商業名には、Astryl、Diamothyst、GavaまたはJava Gem、Meredith、Miridis、Rainbow Diamond、Rainbow Magic Diamond、Rutania、Titagem、Titania、Ultamiteなどがあります。 

ナショナル・リード社では、別のチタン化合物であるチタン酸ストロンチウム（Sr TiO ₃、純粋なタウソナイト）の合成に関する研究も行われていました。この研究は、1940年代後半から1950年代初頭にかけて、レオン・メルカーとラングトリー・E・リンドによって行われ、彼らはベルヌーイ法のトリコーン改良法も使用しました。1955年に商業的に導入されると、チタン酸ストロンチウムは合成ルチルに取って代わり、最も人気のあるダイヤモンド類似物質となりました。これは、チタン酸ストロンチウムの目新しさだけでなく、その優れた光学特性によるものでした。その屈折率（2.41）はダイヤモンドに非常に近く、分散（0.19）も非常に高いものの、合成ルチルのサイケデリックな外観に比べると大幅に改善されていました。また、合成チタン酸塩には、黄色、オレンジから赤、青、黒など、さまざまな色を与えるためにドーパントも使用されました。この素材はダイヤモンドと同様に等方性であるため、合成ルチルに見られるような、ファセットの二重化による視覚的な妨げがない。

チタン酸ストロンチウムの唯一の大きな欠点は（過剰な燃焼を除けば）脆さである。合成ルチルよりも柔らかく（硬度5.5）、脆いため、チタン酸ストロンチウムはより耐久性のある材料と組み合わせて複合材料を作るためにも使用された。それ以外では、当時入手可能な最良の模造品であり、ピーク時には年間生産量が150万カラット（300kg）に達した。特許 保護のため、米国での生産はすべてナショナル・リード社が行い、海外では日本のナカズミ社が大量に生産した。チタン酸ストロンチウムの商品名には、ブリリアント、ディアジェム、ディアモンティーナ、ファビュライト、マーベライトなどがある。

1970年頃から、チタン酸ストロンチウムは、新しい種類のダイヤモンド模造品である「合成ガーネット」に取って代わられ始めました。これらは、ケイ酸塩ではなく酸化物であるため、通常の意味での真のガーネットではありませんが、天然ガーネットと同じ結晶構造（どちらも立方晶で等方性）と一般式 A ₃ B ₂ C ₃ O ₁₂を共有しています。天然ガーネットでは C は常にケイ素であり、A と B はいくつかの一般的な元素のいずれかですが、ほとんどの合成ガーネットは珍しい希土類元素で構成されています。これらは、既知の天然の対応物を持たない唯一のダイヤモンド類似物（ラインストーンを除く）です。宝石学的には、合成というよりは人工と呼ぶ方が適切です。後者の用語は、自然界にも存在する人工材料のために予約されているからです。

数多くの人工ガーネットが作製に成功したが、ダイヤモンドの模造品として重要になったのは2種類だけだった。1つ目は1960年代後半に開発されたイットリウムアルミニウムガーネット（YAG；Y ₃ Al ₅ O _{12 ）である。これは、溶融物からの成長を伴うチョクラルスキー法、または結晶引き上げ法によって製造された（そして現在も製造されている）。}不活性雰囲気で囲まれたイリジウムるつぼが使用され、その中で酸化イットリウムと酸化アルミニウムが1980℃付近の厳密に制御された温度で溶融され混合される。小さな種結晶が棒に取り付けられ、結晶が溶融混合物の表面に接触するまでるつぼの上に下げられる。種結晶は核生成の場として機能し、混合物の表面が融点のすぐ下になる温度で一定に保たれる。棒をゆっくりと連続的に回転させながら引き抜くと、引き抜かれた混合物がるつぼから出る際に結晶化し、円筒形のブール状の単結晶が形成される。この結晶は純度が非常に高く、通常、直径5cm（2インチ）、長さ20cm （8インチ）、重さ9,000カラット（1.75kg ）である。      

YAGの硬度（8.25）と脆さのなさは、チタン酸ストロンチウムに比べて大きな進歩であり、屈折率（1.83）と分散（0.028）はかなり低かったものの、ブリリアントカットのYAGに知覚できるほどの輝きと優れた輝き（ダイヤモンドよりははるかに低い）を与えるには十分であった。また、黄色、赤、エメラルドを模倣するために使用された鮮やかな緑など、さまざまな色のドーパントも製造された。主な製造業者には、ミシガン州のシェルビー宝石工場、リットンシステムズ、アライドケミカル、レイセオン、ユニオンカーバイドなどがあり、年間世界生産量は1972年に4000万カラット（8000kg）でピークに達したが、その後急激に減少した。YAGの商業名には、 Diamonair、Diamonique、Gemonair、Replique、Triamond などがある。

YAGの生産量減少の一因は市場の飽和であったが、もう一つの理由は、ダイヤモンド類似石として重要なもう一つの人工ガーネットであるガドリニウムガリウムガーネット（GGG; Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂）が最近導入されたことであった。YAGとほぼ同じ方法で製造される（ただし融点は1750  ℃と低い）GGGは、ダイヤモンドに近い屈折率（1.97）と分散（0.045）を有していた。GGGは硬度（モース硬度7）と靭性も十分で、宝石として有効であったが、原料はYAGよりもはるかに高価であった。同様に、太陽光やその他の紫外線源にさらされると濃い茶色に変色する傾向があったことも、GGGの普及を阻害する要因であった。これは、ほとんどのGGG宝石が、工業用途には不適格とされた不純物を含む原料から作られていたためである。 GGGの比重（7.02）は、すべてのダイヤモンド類似石の中で最も高く、すべての宝石の中でも最も高い部類に入るため、ルースのGGG宝石は、寸法と予想重量および実重量を比較することで容易に見分けることができます。GGGは、その前身の宝石に比べて大量生産されることはなく、1970年代末までにはほとんど知られなくなりました。GGGの商業名には、Diamonique IIやGalliantなどがあります。

立方晶ジルコニア（CZ、ZrO ₂ ;二酸化ジルコニウム―ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）と混同しないように）は、1976年の発売後すぐにダイヤモンド模造品市場を席巻し、宝石学的にも経済的にも最も重要な模造品であり続けている。CZは1930年から合成されていたが、セラミック形態のみであった。ジルコニアの融点が非常に高い（2750 °C）ため、るつぼでは維持できず、単結晶CZの成長には、これまでの模造品に使用されていた方法とは根本的に異なるアプローチが必要であった。そこで見出された解決策は、水で満たされた銅管と高周波誘導加熱コイル のネットワークを用いることであった。後者はジルコニア原料粉末を加熱するため、前者は外側を冷却し、厚さ1ミリメートル未満の保持層を維持するためである。 CZは、それ自体をるつぼとして成長させる技術であり、冷却パイプにちなんでコールド・クルーシブル法、あるいはるつぼの形状または成長する結晶の形状にちなんでスカル・クルーシブル法と呼ばれている。

標準圧力下では、酸化ジルコニウムは通常、立方晶系ではなく単斜晶系で結晶化する。立方晶を成長させるには、安定剤を使用する必要がある。これは通常、酸化イットリウム(III)または酸化カルシウムである。スカルるつぼ法は1960年代のフランスで初めて開発されたが、1970年代初頭にモスクワのレベデフ物理研究所でVVオシコ率いるソ連の科学者によって完成された。1980年までに、世界の年間生産量は5000万カラット（1万kg）に達した。 

硬度（8～8.5）、屈折率（2.15～2.18、等方性）、分散（0.058～0.066）、および材料費の安さから、CZはダイヤモンドの最も人気のある模造品となっています。ただし、異なる製造業者によって使用される安定剤が異なるため、その光学定数と物理定数は変動します。安定化キュービックジルコニアには多くの配合があります。これらのバリエーションにより、物理的特性と光学的特性が大きく変化します。CZの見た目はダイヤモンドに非常によく似ているため、普段ダイヤモンドを扱わないほとんどの人は騙されてしまいますが、CZには通常、いくつかの手がかりがあります。たとえば、やや脆く、ジュエリーとして通常使用すると傷がつくほど柔らかいこと、通常は内部に欠陥がなく完全に無色であること（ほとんどのダイヤモンドには内部に何らかの欠陥があり、黄色みがかった色をしています）、比重（5.6～6）が高いこと、紫外線の下で独特のベージュ色に反応することなどです。ほとんどの宝石商は、疑わしいキュービックジルコニア（CZ）をすべて検査するために熱プローブを使用します。この検査は、ダイヤモンドの優れた熱伝導率を利用したものです（CZは、他のほとんどすべてのダイヤモンド類似石と同様に、熱絶縁体です）。CZは、ファンシーダイヤモンドを模倣するためにさまざまな色で作られています（たとえば、黄色から黄金色、オレンジ、赤からピンク、緑、不透明な黒など）が、これらのほとんどは本物のダイヤモンドに似ていません。キュービックジルコニアは、耐久性を向上させるためにダイヤモンドライクカーボンでコーティングできますが、それでも熱プローブによってCZとして検出されます。

1998年にモアッサナイト（SiC；炭化ケイ素）が導入されるまで、キュービックジルコニア（CZ）にはほとんど競合製品がありませんでした。モアッサナイトは、硬度（8.5～9.25）、比重（3.2）、屈折率（ 2.65、既知の最高値）の3つの点でキュービックジルコニアよりも優れています。前者の特性により、ファセットはダイヤモンドのようにシャープになる場合があり、後者の特性により、模造モアッサナイトはセッティングされていない状態ではやや見分けにくくなります（それでも十分に違いはありますが）。しかし、ダイヤモンドやキュービックジルコニアとは異なり、モアッサナイトは強い複屈折性を示します。これは、合成ルチルに見られるのと同じ「酔ったような視覚」効果として現れますが、程度は小さいです。モアッサナイトはすべて、この特性を上から隠すためにテーブルが光軸に垂直になるようにカットされますが、わずかに傾けて拡大して見ると、ファセット（および内包物）が二重になっているのが容易にわかります。

モアッサナイトに見られる内包物も特徴的です。ほとんどの場合、石のテーブル面に垂直に並んだ、細くて白い、ほぼ平行な成長管または針状構造が見られます。これらの成長管は、ダイヤモンドに見られることがあるレーザードリル穴と間違えられる可能性があります（ダイヤモンドエンハンスメントを参照）。しかし、モアッサナイトでは複屈折のため、これらの管は明らかに二重に見えます。合成ルチルと同様に、現在のモアッサナイトの生産も、まだ避けられない色合い（通常は茶色がかった緑色）に悩まされています。限られた種類のファンシーカラーも生産されており、最も一般的なのは青と緑です。