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Beschichtung von Edelsteinen und Mineralien – PVD



Jedes Jahr werden neue Mineralien entdeckt, von denen der Großteil aufgrund der Seltenheit vorrangig von wissenschaftlichem Interesse ist. Dennoch werden von Zeit zu Zeit auf dem Edelsteinmarkt und in der Schmuckbranche Steine präsentiert, die scheinbar neu sind – die aber in vielen Fällen das Ergebnis einer nachträglichen Farbveränderung mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. Physical vapor deposition, PVD) sind.



Die unendliche Farbvielfalt von Mineralien

Die Welt der Mineralien und Edelsteine ist bunt. Allen bekannten Farben finden sich einzeln oder in Kombinationen miteinander in den Kristallen wieder.
Dabei kommen einige Farben häufiger vor als andere, weisen eine ungleichmäßige Farbverteilung auf oder sind zu hell respektive zu dunkel. Um der Nachfrage von vor allem seltenen bzw. besonders begehrten Farben nachkommen zu können, werden Mineralien seit Jahrhunderten ein- und umgefärbt. Das Brennen von Mineralien, das unter einer individuell festgelegten, dem jeweiligen Stein entsprechenden Temperatur erfolgt, ist die älteste Methode, um die Farbe zu optimieren, korrigieren oder zu verändern. Weitere Verfahren sind das Bestrahlen, Beschichten oder Ummanteln mit Wachs, Öl oder Harz.

Welches Verfahren angewendet wird, hängt vom Mineral per se ab. Nicht jedes Mineral ist gleichermaßen für alle Varianten der Farbveränderung und -korrektur geeignet oder spricht darauf an.

Ein seit einigen Jahren praktiziertes Verfahren ist das oberflächliche Beschichten von Kristallen, das auf dem Prinzip der Physikalischen Gasphasenabscheidung basiert, deren Ursprung in der Beschichtung viel benutzter Materialien liegt. So sind PVD-beschichtete Werkzeuge weniger verschleißanfällig und vor Korrosion geschützt, aber auch in der Feinelektronik findet sich die PVD-Beschichtung wieder.


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Physikalische Gasphasenabscheidung

Das Verfahren der Physikalischen Gasphasenabscheidung funktioniert vereinfacht dargestellt folgendermaßen: der Stoff (diverse Metalloxide), der später den Kristall umhüllen soll, wird zunächst in den gasförmigen Zustand gebracht. Abhängig von der Art der Physikalischen Gasphasenabscheidung werden verschiedene Varianten angewendet, bspw. Bedampfen, Elektronenverdampfen oder laserbasiertes Bedampfen.

Der mit dem Trägermetall gesättigte „Nebel“ hüllt in einer Vakuumkammer das zu beschichtende Objekt unter ständiger Rotation ein, damit gewährleistet ist, dass sich der „Nebel“ vollständig auf dem Kristall verteilt. Nach einer abschließenden Kondensationszeit härtet die Beschichtung aus.

Die Dauer der Behandlung richtet sich nach der erzielten Mächtigkeit der Schicht, sodass laut Baptista et al. Nach fünf Stunden eine 6 μm dicke Schicht entsteht, die nach 18 Stunden auf eine Mächtigkeit von 30 μm anwächst.


Metallbedampfte Mineralien

Besonders häufig werden Quarz, Topas sowie die Edelsteinimitation Zirkonia mit der Physikalischen Dampfphasenabscheidung veredelt. Die ersten PVD-Kristalle wurden in den späten 1990er Jahren kreiert, wobei man sich bei den anfänglichen Experimenten auf Topas konzentrierte.

Abhängig von den eingesetzten Metallen entstehen dabei Farben und Reflexe, die so in der Natur nicht vorkommen, bspw. Regenbogenbergkristall, Mystik-Topas oder Aqua Aura.

Die farbgegebende Schicht, die den Stein umhüllt, ist von äußerst geringer Mächtigkeit und liegt im Mikrometerbereich – hauchdünn, sodass durchsichtige Mineralien nach wie vor von durchsichtiger Transparenz bleiben, aber von entscheidendem Einfluss, was die Farbveränderung betrifft.

Bedingt durch die Tatsache, dass die Ummantelung nur auf die Oberfläche aufgetragen wird, findet der Schritt der Beschichtung mittels PVD erst statt, nachdem der Stein geschliffen wurde. Werden die Schleifarbeiten nach dem Bedampfen vorgenommen, wird die oberflächliche Schicht zwangsläufig abgetragen, weshalb PVD-beschichtete Mineralien mit Vorsicht zu behandeln sind, insbesondere Schmuck, bei dem durch Kratzer riskiert wird, dass sich die Beschichtung ablöst.

Welche farbgebenden Materialien in den Dampf eingearbeitet werden, hängt von der Zielfarbe ab. So konnte die Farbintensität und der blau-violette Farbton von Tansanit in der Vergangenheit durch eine Beschichtung mit Kobalt gesteigert werden. Aber auch rosa-farbene, grüne und schwarze Diamanten sowie Perlen werden mit PVD beschichtet, wobei bei Perlen vorrangig darauf abgezielt wird, an Härte bzw. Robustheit zu gewinnen.

Zu den populärsten Mineralien, deren Farbe das Ergebnis einer PVD-Behandlung ist, zählen folgende Steine:

Dass ein Stein durch die Physikalische Gasphasenabscheidung verändert wurde, ist für Laien oftmals nicht eindeutig zu erkennen.
Hinweise wie behandelt oder beschichtet geben einen ersten Anhaltspunkt auf den nicht zu 100 Prozent natürlichen Ursprung der Farbe. Auch zu künstliche, metallisch wirkende Farben, die in dieser Ausprägung für das jeweilige Mineral nicht üblich sind, können ein Indiz sein. Sicherheit zur Echtheit der Farbe liefert allerdings nur die Betrachtung unter dem Elektronenmikroskop, sofern man nicht riskieren möchte, die Echtheit durch einen zerstörenden Kratztest zu ermitteln.


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Quellen:
McClure, S. F. und Shen, A. H. (2008): Coated Tanzanite. IN: Gems & Gemology Summer 2008
Baptista, A., Silva, F. J. G., Porteiro, J., Mígueza, J. L., Pinto, G. und Fernandes, L. (2018): On the Physical Vapour Deposition (PVD): Evolution of Magnetron Sputtering Processes for Industrial Applications
Martineau, P. M., Lawson, S. C., Taylor, A. J., Quinn, S. J., Evans, D. und Crowder, M. J. (2004): Identification of synthetic Diamond Grown using chemical vapor deposition (CVD). IN: Gems & Gemology Spring 2004

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Letzte Aktualisierung: 7. Oktober 2020




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