Van gasfase naar 50 karaat in een paar uur: met nieuwe technieken is het steeds makkelijker om edelstenen synthetisch na te maken. Dat heeft effect op de markt, maar is ook interessant voor onderzoekers. Bijvoorbeeld als die diamanten als basis voor quantumcomputers gebruiken.

Het is een aantrekkelijk beeld: de vitrinekasten vol glinsterende edelstenen die je bij de juwelier tegemoet stralen. De kans is steeds groter dat deze edelstenen niet uit de krochten van de aarde zijn gehaald, maar in een laboratorium zijn gemaakt. Robijn, saffier, smaragd, diamant – ze kunnen allemaal synthetisch worden gemaakt, zo goed dat ze met het blote oog vaak niet van echt te onderscheiden zijn. Hoewel deze ontwikkelingen sommige traditionele handelaren zenuwachtig maken – met het grotere aanbod dalen ook de prijzen – geven deze nieuwe productietechnieken ook veel voordelen.

De klassieke mijnbouw kampt met problemen. Het hak- en graafwerk heeft veel impact op de omgeving en het milieu, en gaat vaak gepaard met het uitbuiten van werknemers. De laatste jaren is er wel meer aandacht voor duurzamere mijnbouw, waarbij de omgeving weer wordt hersteld of waarbij omwonenden op kleine schaal edelstenen uit hun eigen stuk grond kunnen halen. Omdat de productie daardoor op sommige plekken daalt, maakt dat de stenen nog duurder en zeldzamer. Niet vreemd dat al eeuwen naar goedkopere alternatieven wordt gezocht.

Namaakedelstenen

‘Het begon met glas’, vertelt gemmoloog William Wold van LGemL in Joure. ‘Oplichters maakten gekleurd glas om natuurlijke edelstenen te imiteren en geld te verdienen. Anderen wilden rijker lijken dan ze waren en liepen daarom met namaakedelstenen te pronken.’

Om dit overtuigend voor elkaar te krijgen, moesten de kleuren wel echt lijken. ‘Dit deden ze door allerlei metalen in het glas te mengen, bijvoorbeeld ijzer of koper voor een groene kleur of kobalt voor blauw.’

Fluorescentiefoto van een een natuurlijke diamant, herkenbaar aan grillige lijnen). Bovenaan dit artikel staat een zelfde foto van een CVD-gegroeide synthetische diamant. Beeld: Hanco Zwaan/Naturalis Biodiversity Center/Nel

Oude imitaties

In het laboratorium werden meer verfijnde imitaties gemaakt. Zo maakte de Franse scheikundige Jacques-Joseph Ebelmen in 1848 synthetische smaragden met de fluxmethode. Hij voegde hiervoor rood smaragdpoeder – het mineraal berillium-aluminiumsilicaat dat ook wat chroom bevat – toe aan een bad van gesmolten booroxide, een glasachtige stof met een hoog smeltpunt. Een stukje beril op een stokje werd in deze stroom gehangen en daaraan groeide een smaragd. ‘Deze methode kwam in 1938 commercieel beschikbaar’, vertelt Hanco Zwaan, onderzoeker bij het Nederlands Edelsteen Laboratorium (NEL) van museum Naturalis in Leiden. ‘Door met de temperatuur te spelen, laat je het poeder op de juiste manier kristalliseren. Na een of meerdere dagen heb je dan een smaragd.’

Knalgasvlam

Een andere grote stap in het namaken van edelstenen was de methode van Auguste Verneuil, een Franse chemicus die in 1902 saffier en robijn wist te maken in het laboratorium. Deze edelstenen zijn beide varianten van het mineraal korund, dat bestaat uit gekristalliseerd aluminiumoxide. ‘Als er een spoor van chroom in de kristalstructuur zit, wordt het mineraal rood en noemen we het robijn’, vertelt Zwaan. ‘De blauwe variant bevat sporen van ijzer en vaak ook titaan, en noemen we saffier.’

Verneuil wist deze kristalstructuren te maken in een naar hem vernoemde Verneuil-oven. Hij liet hierbij aluminiumsulfaatpoeder in een hete knalgasvlam vallen. ‘Dat poeder smolt meteen en drupte heel langzaam op een stokje op een ronddraaiend platform onder de oven’, vertelt Zwaan. ‘Na een paar uur vormt zo een kristal van een paar centimeter, die wordt geslepen tot de juiste vorm.’

In 1906 werd de techniek commercieel toegepast en sindsdien wordt het ook gebruikt voor andere edelstenen zoals spinel – een variant van aluminiumoxide waar magnesium in is verwerkt. Wold: ‘De blauwe variant van spinel werd met name in de jaren vijftig veel verkocht alsof het aquamarijn was.’

Heilige graal: diamant

Geïnspireerd door deze technieken gingen de onderzoekers op zoek naar een manier om de meest gewilde edelsteen na te maken: diamant. ‘Diamant heeft een unieke combinatie van eigenschappen’, vertelt Ivan Buijnsters, universitair hoofddocent micro- en nanotechnologie aan de TU Delft. ‘Het is een mechanisch extreem hard materiaal, het is krasbestendig, kan warmte goed geleiden en het is optisch transparant over een breed golflengtegebied. Het is zelfs mogelijk om er halfgeleidend materiaal van te maken. Dat maakt het geschikt om op veel gebieden toe te passen.’ Het was alleen ook een van de lastigste edelstenen om na te maken. ‘In de aarde ontstaat diamant onder hoge temperatuur en hoge druk’, zegt Buijnsters. ‘Lange tijd werd er gezocht naar praktische mogelijkheden om dat goed na te bootsen.’

Inmiddels is deze methode gevonden. Er zijn verschillende machines in omloop die een stuk koolstof onder hoge druk en hoge temperatuur in een paar dagen tot weken kunnen omzetten in diamant. ‘Deze staan nu voornamelijk in China, maar de Nederlandse Druk-Synthese Fabrieken in het Drentse dorp Drouwenermond ontwikkelt ook persmachines en probeert een deel van de handel terug te halen naar Europa, zodat we minder van het buitenland afhankelijk zijn.’

Kiemdiamantje

Er zijn ook andere methoden in opkomst. Zo zijn er laboratoria die diamanten proberen te maken met hoge-energielasers of door explosieven te laten ontploffen. Maar de meest veelbelovende techniek is chemical vapour deposition, oftewel CVD. Buijnsters: ‘Wij gebruiken in ons lab vooral CVD, want dit is relatief makkelijk en snel. Het kost maar een paar uur om de diamant te laten groeien zoals wij dat willen.’

CVD is een techniek die in de industrie onder andere wordt gebruikt om chipszakken en zonnebrillen te coaten. ‘We maken gebruik van de zogenoemde reactieve gasfase’, legt Buijnsters uit. ‘We leggen een substraat zoals een klein kiemdiamantje in een kamer met waterstofgas en methaan, onder verlaagde druk. Deze moleculen reageren met elkaar en vormen een dun laagje diamant op de kiem.’ Het is op deze manier al gelukt om een diamant van 50 karaat te maken. Maar hoe deze reactie precies werkt, weten onderzoekers eigenlijk niet. ‘We kunnen moeilijk metingen doen tijdens het proces, dus we snappen het precieze mechanisme nog niet helemaal. Wel weten we dat factoren zoals temperatuur bepalen of we een laag diamant krijgen of een laag grafiet. Dus we proberen het in de richting van het diamant te sturen.’

De chemical vapour deposition-opstelling voor het maken van synthetische diamant. Foto: Dilpreet Singh, TU Delft

Ronde groeilijnen

Daarom gebruiken experts optische technieken om onderscheid te maken. ‘Wij kijken bijvoorbeeld naar de brekingsindex of de polarisatie’, vertelt Wold. Meestal duiken ze dieper de steen in. ‘Vaak kijken we met microscopen naar de structuur en hoe die is opgebouwd. De Verneuil-methode herken ik bijvoorbeeld aan de ronde groeilijnen, omdat de steen ronddraait tijdens het maakproces.’

De steen kan natuurlijk ook te perfect zijn. ‘In natuurlijke stenen zien we vaak water of stikstofmoleculen, omdat die moleculen veel aanwezig zijn onder de grond. Bij synthetische stenen zien we die niet.’

Edelstenen voor onderzoek

Al deze ontwikkelingen zijn natuurlijk interessant voor consumenten die juwelen willen dragen, maar niet de hoofdprijs kunnen betalen. En op kleine schaal biedt deze ontwikkeling ook interessante aanknopingspunten voor onderzoekers. ‘Wij gebruiken diamanten als nanodeeltjes of als basis voor quantumcomputers’, vertelt Buijnsters. ‘Normaal is dat vrij duur onderzoek, maar nu we de diamanten zelf kunnen maken, is dat een stuk makkelijker geworden.’

Ook het aanpassen van de materialen is nu simpeler. ‘We kunnen makkelijk elementen toevoegen om te kijken wat voor effect dat heeft op onze toepassingen.’ En ook andere edelstenen hebben zo hun nut in het lab. ‘In Rusland is een groot laboratorium dat allerlei soorten edelstenen namaakt’, vertelt Zwaan. ‘Dit doen ze vooral voor onderzoekers, zodat we meer leren over de fysische eigenschappen van deze stenen en de geologische processen in de aarde.’

Miljoenen jaren in de aarde

Bedrijven gebruiken synthetische edelstenen vaak als marketingtool, waarbij ze claimen dat deze stenen een stuk milieuvriendelijker zijn dan natuurlijke. Of dat klopt, is de vraag. ‘Veel mijnbouw is inderdaad niet zo milieuvriendelijk. Maar op Sri Lanka zijn bijvoorbeeld veel lokale boeren en kleine bedrijven die edelstenen opgraven uit hun eigen grond’, zegt Wold. ‘Die mensen leven hiervan en houden hun omgeving goed in stand. Ik vraag me wel eens af of dat echt zo veel minder duurzaam is dan de synthetische methoden die vaak veel energie kosten.’ Wat Wold betreft zou het goed zijn om eens een levenscyclusanalyse te doen van alle methoden, om te zien of deze echt een voordeel bieden.

Het delven van natuurlijke stenen zal niet verdwijnen door opkomst van synthetische stenen, denkt ook Zwaan. ‘Sommige mensen hechten er waarde aan dat een steen miljoenen jaren in de aarde heeft gezeten en dat hij natuurlijk is gegroeid. Deze stenen behouden hun waarde omdat ze zeldzaam zijn. Dus hoewel de synthetische edelstenenmarkt zeker nog verder zal groeien, verwacht ik niet dat we ooit helemaal afstappen van de natuurlijke varianten.’