Beschichtung von Edelsteinen und Mineralien - PVD
Jedes Jahr werden neue Mineralien entdeckt, die aufgrund der Seltenheit meist nur für die Wissenschaft von Interesse sind. Dennoch tauchen von Zeit zu Zeit auch auf dem Edelsteinmarkt und in der Schmuckbranche Steine auf, die als neu präsentiert werden. In einigen Fällen handelt es sich dabei jedoch um altbekannte Mineralien, deren Farbe nachträglich durch Physikalische Gasphasenabscheidung (engl. Physical Vapor Deposition, PVD) verändert wurde.
Die unendliche Farbvielfalt von Mineralien
Die Welt der Mineralien und Edelsteine ist bunt. Nahezu alle bekannten Farben finden sich einzeln oder in Kombination in den Kristallen wieder.
Dabei kommen einige Farben häufiger vor als andere, weisen eine ungleichmäßige Farbverteilung auf, sind zu hell oder zu dunkel.
Um der Nachfrage nach seltenen oder besonders begehrten Farben gerecht zu werden, werden Mineralien seit Jahrhunderten ein- und umgefärbt. Die älteste Methode ist das Brennen, das unter einer jeweils angepassten Temperatur erfolgt, um die Farbe zu optimieren, zu korrigieren oder zu verändern. Weitere Verfahren sind das Bestrahlen, Beschichten oder das Ummanteln mit Wachs, Öl oder Harz.
Welches Verfahren angewendet wird, hängt vom jeweiligen Mineral 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.
Strass ist kein Mineral, das man in der Natur einfach so findet. Für die Herstellung von Strass werden jedoch verschiedene Mineralien verwendet. Doch was ist Straß bzw. Strass?
Physikalische Gasphasenabscheidung
Das Verfahren der Physikalischen Gasphasenabscheidung lässt sich vereinfacht so beschreiben: Der Stoff (diverse Metalloxide), der später den Kristall überziehen soll, wird zunächst in den gasförmigen Zustand überführt. Je nach Variante des Verfahrens geschieht dies durch Bedampfen, Elektronenverdampfen oder laserbasierte Verfahren.
In einer Vakuumkammer umhüllt dieser mit Metallpartikeln angereicherte „Nebel“ das zu beschichtende Objekt. Durch die kontinuierliche Rotation des Kristalls wird eine gleichmäßige Verteilung auf der gesamten Oberfläche erreicht. Nach einer anschließenden Kondensationsphase härtet die aufgebrachte Schicht aus.
Die Dauer der Behandlung bestimmt die Schichtdicke: So berichten Baptista et al., dass nach fünf Stunden eine etwa 6 µm dicke Schicht entsteht, die nach 18 Stunden bereits rund 30 µm erreicht.
Metallbedampfte Mineralien
Besonders häufig werden Quarz, Topas sowie die Edelsteinimitation Zirkonia mithilfe der Physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) veredelt. Die ersten PVD-beschichteten Kristalle entstanden in den späten 1990er-Jahren, wobei sich die anfänglichen Experimente vor allem auf Topas konzentrierten.
Abhängig von den verwendeten Metallen entstehen dabei Farbspiele und Reflexe, die in der Natur nicht vorkommen – etwa beim Regenbogenbergkristall, Mystik-Topas oder Aqua Aura.
Die farbgegebende Schicht, die den Stein umhüllt, ist extrem dünn und liegt im Mikrometerbereich, sodass durchsichtige Mineralien nach wie vor von durchsichtiger Transparenz bleiben. Zugleich ist die Schicht aber von entscheidendem Einfluss auf Farbveränderung.
Da die Ummantelung nur auf die Oberfläche aufgetragen wird, findet der Schritt der Beschichtung mittels PVD erst nach dem finalen Schliff des Steins statt. Würde der Stein anschließend weiter bearbeitet, würde die Schicht zwangsläufig abgetragen. Deshalb sind PVD-beschichtete Mineralien empfindlich: Besonders bei Schmuckstücken besteht das Risiko, dass sich die Schicht durch Kratzer ablöst.
Welche Materialien in den Dampf eingebracht werden, hängt von der gewünschten Zielfarbe ab. So konnte beispielsweise die Farbintensität des blauvioletten Tansanits durch eine Kobaltbeschichtung verstärkt werden. Auch rosafarbene, grüne und schwarze Diamanten sowie Perlen werden auf diese Weise behandelt – bei Perlen steht jedoch weniger die Farbveränderung im Vordergrund als vielmehr die Erhöhung von Härte und Widerstandsfähigkeit.
Zu den bekanntesten Mineralien, deren Farbe das Ergebnis einer PVD-Behandlung ist, zählen:
- Regenbogenbergkristall: mit Titan bedampfter Bergkristall, regenbogenfarben
- Aqua Aura: Gold-bedampfter Bergkristall, metallisch-blaue Farbe
- Mystik-Topas: Titan-bedampfter Topas; regenbogenfarben
Ob ein Stein durch Physikalische Gasphasenabscheidung verändert wurde, ist für Laien meist schwer zu erkennen. Begriffe wie behandelt oder beschichtet geben einen ersten Hinweis darauf, dass die Farbe nicht vollständig natürlichen Ursprungs ist. Auch untypisch intensive, metallisch wirkende Farbtöne, die bei dem jeweiligen Mineral in dieser Form nicht vorkommen, können ein Indiz sein.
Aufschluss über die 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:
- 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
- Gabasch, H., Klauser, F., Bertel, E. und Rauch, T. (2008): Coloring of Topaz by Coating and Diffusion Processes: An X-Ray Photoemission Study. IN: Gems & Gemology, Summer 2008
- McClure, S. F. und Shen, A. H. (2008): Coated Tanzanite. IN: Gems & Gemology, Summer 2008
- Schmetzer, K. (2008): Surface treatment of gemstones, especially topaz – an update of recent patent literature IN: The Journal of Gemmology
- 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. IN: Procedia Manufacturing
- Schumann, W. (2020): Edelsteine und Schmucksteine. Alle Arten und Varietäten 1900 Einzelstücke. BLV, ein Imprint von GRÄFE UND UNZER Verlag GmbH