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立方晶ジルコニア（CZ ）は、二酸化ジルコニウム（ZrO₂ ）の立方晶系結晶です。合成された材料は硬く、通常は無色ですが、さまざまな色で製造されることもあります。ジルコニウムケイ酸塩（ZrSiO₄ ）であるジルコンと混同しないように注意が必要です。時折、誤って立方晶ジルコニウムと呼ばれることがあります。
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に酷似した外観から、1976年の商業生産開始以来、宝石学的にも経済的にもダイヤモンドにとって最も重要な競合相手であり続けている。合成宝石としての主な競合相手は、より近年開発された合成モアッサナイトである。
立方晶ジルコニアは結晶学的に等軸晶であり、これはダイヤモンド類似石として重要な特性です。合成過程において、酸化ジルコニウムは自然に単斜晶を形成し、これは通常の大気条件下で安定しています。立方晶（蛍石構造）を形成し、常温で安定させるには安定剤が必要です。通常、安定剤はイットリウムまたは酸化カルシウムであり、その量は製造業者ごとに異なる配合で用いられます。そのため、合成された立方晶ジルコニアの物理的特性および光学的特性は様々であり、すべての値は範囲を示します。
キュービックジルコニアは密度が高く、密度は5.6～6.0 g/cm³で、ダイヤモンドの約1.65倍です。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、ほとんどの半貴石よりもわずかに硬いです。 [ 1 ]屈折率は2.15～2.18と高く（ダイヤモンドは2.42）、光沢は金剛光沢です。分散は0.058～0.066と非常に高く、ダイヤモンド（0.044）を上回ります。キュービックジルコニアには劈開がなく、貝殻状断口を示します。硬度が高いため、一般的に 脆いと考えられています。
短波長紫外線照射下では、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」色に蛍光を発します。長波長紫外線照射下ではその効果は大幅に弱まり、時折白っぽい光が見られる程度です。カラーストーンは、強く複雑な希土類元素の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の単斜晶系鉱物バデライトは、ジルコニウム酸化物の天然形態である。[ 2 ]
ジルコニアの高い融点（2750 °C または 4976 °F）は、単結晶の制御された成長を妨げます。しかし、立方晶ジルコニウム酸化物の安定化は早期に実現され、合成製品である安定化ジルコニアは1929 年に導入されました。立方晶ではありますが、多結晶セラミックの形態であり、耐火材料として使用され、化学的および熱的攻撃（最高 2540 °C または 4604 °F）に対して非常に高い耐性を示しました。[ 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中に含まれる微細な粒子の形で天然に存在する立方晶ジルコニアを発見した。これはメタミクト化プロセスの副産物と考えられていたが、この2人の科学者は、この鉱物が正式な名前を与えるほど重要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、合成生成物の天然の対応物の存在が証明された。[ 4 ]
多くの人工ダイヤモンド代替品と同様に、単結晶立方晶ジルコニアの製造というアイデアは、レーザーやその他の光学用途に使用できる、新しく汎用性の高い材料を模索していた科学者たちの頭に浮かんだ。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）といった、それ以前に開発された合成材料の生産量を上回った。
立方晶ジルコニアの単結晶制御成長に関する初期の研究は、1960年代のフランスで行われ、Y. RoulinとR. Collonguesが多くの研究を行った。この技術では、溶融ジルコニアを固体ジルコニアの薄い殻で覆い、溶融物から結晶を成長させる。このプロセスは、使用された水冷システムにちなんで「冷るつぼ」と名付けられた。これらの試みは有望ではあったものの、得られたのは小さな結晶のみであった。
その後、モスクワのレベデフ物理研究所のレーザー装置研究所で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、当時は頭蓋骨るつぼ（水冷容器の形状、または時に成長した結晶の形状を暗示）と呼ばれていました。彼らは研究所名FIAN（科学アカデミー物理研究所）にちなんで宝石をフィアニトと名付けましたが、この名前はソ連国外では使用されませんでした。当時、この研究所はロシア科学アカデミー物理研究所として知られていました。[ 5 ]彼らの画期的な発見は1973年に発表され、1976年に商業生産が開始されました。[ 6 ] 1977年には、セレス社が94%イットリアで安定化された結晶を使用したキュービックジルコニアを宝飾品市場で大量生産し始めました。1993年時点での他の主要生産者には、台湾クリスタル社、スワロフスキー、ICT社などがあります。[ 7 ] 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年には年間約400トンに達した。[ 7 ]
天然のキュービックジルコニアは非常に希少なため、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、その製造方法の1つは1997年にJosep F. Wenckus & Co.によって特許が取得されています。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
1997 年に Josep F. Wenckus と共同研究者によって改良されたスカルメルティング法は、現在も業界標準となっています。これは主に、このプロセスにより 3000 °C を超える温度を達成できること、るつぼと材料が接触しないこと、および任意のガス雰囲気を選択できることによるものです。この方法の主な欠点としては、生成される結晶のサイズを予測できないこと、および温度変化によって結晶化プロセスを制御することができないことが挙げられます。[ 3 ] [ 11 ]
このプロセスで使用される装置は、高周波活性化（RF活性化）銅コイルに囲まれたカップ状のるつぼと水冷システムで構成されています。[ 3 ] [ 12 ]
安定剤（通常は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を、冷えたるつぼに投入する。ジルコニウムまたは安定剤の金属片を、粉末混合物に密集した山状に投入する。高周波発生器のスイッチを入れると、金属片はすぐに加熱され、容易に酸化してジルコニアとなる。その結果、周囲の粉末は熱伝導によって加熱され、溶融し始め、電気伝導性を持つようになるため、高周波発生器によっても加熱される。これは、製品全体が溶融するまで続く。るつぼを囲む冷却システムにより、焼結した固体材料の薄いシェルが形成される。これにより、溶融ジルコニアは自身の粉末内に閉じ込められ、るつぼからの汚染を防ぎ、熱損失を低減する。溶融物は、均質性を確保し、すべての不純物が蒸発するように、数時間高温に保たれる。最後に、るつぼ全体をRFコイルからゆっくりと取り外し、加熱を抑え、ゆっくりと冷却します（下から上へ）。るつぼをRFコイルから取り外す速度は、相転移図によって決定される結晶化の安定性に応じて選択されます。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、得られる結晶は複数の細長い結晶ブロックになります。[ 11 ] [ 12 ]
この形状は、ティラーによれば結晶退化と呼ばれる概念によって決まります。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、および溶融物の組成の関数です。[ 3 ]結晶の直径は、Y2O3安定剤の濃度に大きく影響されます。
相図に示すように、 Y 2 O 3の濃度に関係なく、溶液を冷却すると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、立方構造は正方状態に崩壊し始め、その後単斜相に崩壊します。Y 2 O 3の濃度が 2.5 ～ 5% の場合、生成物は PSZ (部分安定化ジルコニア) になりますが、約 8 ～ 40% では単相の立方結晶が形成されます。14% 未満では、成長速度が低い場合、結晶は不透明になる傾向があり、固溶体の部分的な相分離を示しています (おそらく、高温領域に長時間留まる結晶内の拡散による)。この閾値を超えると、結晶は適度な成長速度で透明なままになり、良好なアニーリング条件を維持します。[ 11 ]
立方晶ジルコニアは同形結晶性を持つため、様々な元素を添加することで結晶の色を変化させることができます。添加する元素の種類と、それによって得られる色の一覧を以下に示します。
YCZ（イットリウム含有立方晶ジルコニア）結晶の大部分は透明で光学的完全性が高く、屈折率の勾配は以下です。5 × 10 −5。[ 11 ]ただし、一部のサンプルには、以下に挙げるような最も特徴的で一般的な欠陥が含まれています。
イットリウム立方ジルコニア（YCZ）は、その光学特性から、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。特に化学工業では、その化学的安定性と機械的靭性から、腐食性液体の監視用窓材として使用されています。YCZは、同様の産業において半導体や超伝導体の薄膜の基板としても使用されています。[ 11 ]
部分安定化ジルコニアの機械的特性（高い硬度と耐衝撃性、低い摩擦係数、高い耐薬品性と耐熱性、高い耐摩耗性）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されています。生体組織と適合し、鋼鉄製のものよりもはるかに滑らかな刃先を持つ、医師用の信頼性の高い超鋭利な医療用メスを作るために使用されています。[ 11 ]
メーカー各社は、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た。完成したキュービックジルコニアにダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜をコーティングする技術は、化学気相成長法を用いた革新的な方法の一つである。この技術によって得られる材料は、硬度が高く、光沢があり、全体的にダイヤモンドに似ているとされている。このコーティングは、キュービックジルコニアの過剰な発色を抑え、屈折率を向上させることで、ダイヤモンドのような外観を与えると考えられている。さらに、非晶質ダイヤモンドコーティングにはダイヤモンド結合が高濃度で含まれているため、完成した模造品はラマンスペクトルにおいてダイヤモンド特有のピークを示す。
別のテクニック最初に石英やトパーズに適用されたこの技術は、キュービックジルコニアにも応用されています。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、その他のコーティングの極めて薄い層を真空スパッタリングすることによって作られる虹色の効果です。[ 13 ]この素材は、多くのディーラーによって「ミスティック」として販売されています。ダイヤモンドライクカーボンやその他の硬質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の効果は、非常に低い硬度と劣悪な耐摩耗性のため、非常に耐久性のあるキュービックジルコニア基材に比べて耐久性がありません。
キュービックジルコニアがダイヤモンドと異なる主な特徴は以下のとおりです。
キュービックジルコニアは、ダイヤモンドの模造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し、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る。 [ 14 ] [ 15 ]
価値に関して言えば、ダイヤモンドは希少性と視覚的な美しさゆえに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行為に起因する人工的な希少性[ 14 ] [ 15 ]に取って代わられました。 [ 14 ] [ 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容疑を認めました。[ 16 ]しかし、デビアス社の市場支配力は低下したものの、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ます。[ 14 ]キュービックジルコニアなど、ダイヤモンドに似た光学特性を持つ人工石の出現は、価格が安く、論争のない歴史を持つことから、ジュエリー購入者にとって代替品となる可能性があります。
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挙げられます。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阻止するために設立されました。[ 17 ]しかし、KPはヨーロッパやアメリカ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ありません。その定義には、強制労働条件や人権侵害は含まれていません。[ 17 ] [ 18 ] Enough Projectによる2015年の調査では、中央アフリカ共和国のグループが紛争ダイヤモンドから年間300万米ドルから 600万米ドルの利益を得ていることが示されました。 [ 19 ]国連の報告によると、 KP設立以来、2400万米ドル以上の紛争ダイヤモンドが密輸されています。 [ 20 ]ダイヤモンドの模造品は、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ます。[ 19 ]「エコフレンドリージュエリー」などの用語は、紛争のない起源で環境的に持続可能であることを定義しています。[ 21 ]しかし、コンゴ民主共和国などの鉱業国は、ダイヤモンドの購入をボイコットすると経済が悪化するだけだと懸念している。コンゴ鉱業省によると、同国の人口の10%がダイヤモンドからの収入に依存している。[ 17 ]したがって、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、長期的な解決策は、これらの石の原産地を特定するためのより厳格なシステムを確立することである。