Synthetischer Smaragd

Für die Definition eines Edelsteins sind drei Kriterien ausschlaggebend: eine besonders hohe Härte, die Seltenheit und die Schönheit, die sich in Farbe, Reinheit und Glanz ausdrückt. Viele dieser Eigenschaften bestimmen auch den Wert von Edelsteinen. Wie einfach wäre es, wenn Edelsteine jederzeit verfügbar und zu erschwinglichen Preisen erhältlich wären?

Seit Jahrhunderten tüftelt man daher an Methoden und Techniken, um Steine zu schaffen, die das Original aus den Händen von Mutter Natur möglichst perfekt nachahmen. Die Nachahmungen reichen von Glasimitationen bis hin zu Kunstkristallen; andere Steine wiederum sind chemisch und physikalisch mit natürlichen Edelsteinen identisch. Gerade beim Smaragd verging viel Zeit, bis schließlich Exemplare in ansprechenden Größen gezüchtet werden konnten.

Imitation versus Synthese

Unter dem Begriff Edelstein-Imitation versteht man in der Gemmologie Steine, die einen Schmuck- oder Edelstein nachahmen, jedoch eine andere chemische Zusammensetzung besitzen und entsprechend abweichende chemisch-physikalische Eigenschaften aufweisen. Zu den bekanntesten Imitationen von Schmuck- und Edelsteinen zählen Strass, Zirkonia und Hydroquarz.
Der Mineraloge und Kristallograph Haymo Heritsch (1911 bis 2009) bezeichnete Imitationen bereits 1952 als eine „Fälschung“ - eine „mehr oder minder plumpe Täuschung durch ein gänzlich anderes Material“.

Synthesen orientieren sich an den mineralogischen Merkmalen des nachgebildeten Minerals.
Die chemische Zusammensetzung entspricht dem natürlichen Vorbild, sodass auch Härte, Farbe, Dichte, Bruch, Spaltbarkeit und Brechungsindex – sowie teilweise sogar der Kristallbau und die Kristallgestalt – identisch sind. Dennoch gelten solche Steine definitionsgemäß nicht als Mineralien, da das entscheidende Kriterium fehlt: die natürliche Entstehung.

Smaragdgrünes Glas

Noch bis ins 19. Jahrhundert hinein wurde Smaragd mit grün eingefärbtem Glas imitiert. Es kursierten zahlreiche Ideen und Anleitungen, wie smaragdgrüne Steine hergestellt werden können.

So berichtet etwa der Naturwissenschaftler Carl Philipp Funke (1752 bis 1807), dass „Glas mit Grünspan“ „zusammengeschmolzen giebt einen Glasfluß, der dem ächten Smaragde sehr gleicht“.

Ein Chemiker namens G. C. Müller empfahl 1828 zur Herstellung von Smaragdglas „Straß 48 Loth, Spießglanz 20 Gran und Kobaltoxid 3 Gran“, alternativ ginge auch „Straß 1 Loth, durch Ammoniak aus der salpetersauren Auflösung gefälltes Kupferoxyd 2 Gran“.

Der Naturwissenschaftler und Lexikograph Johann Georg Krünitz (1728 bis 1796) erwähnt eine weitere Methode zur Herstellung nachgemachter Smaragde, die er unter dem Namen Smaragdflüsse beschreibt. Als Erfinder nennt er den Alchimisten und Glasmacher Johannes Kunkel (1630 bis 1703), der hierfür „Bleyglas, Kupferhammerschlag und Eisensafran“ verwendete.

Bei den Zutaten handelt es sich um historische Bezeichnungen: Eisensafran (alias Crocus Martis aperitivus) entspricht gelbem Eisenrost bzw. Eisen(III)-hydroxid, während Kupferhammerschlag Kupfer ist, das mit Schwefel behandelt wurde.

Alternativ griffen findige Goldschmiede auf Emaille zurück, die sie zu Dubletten oder Tripletten – also zusammengesetzten Steinen aus zwei oder drei Schichten – verarbeiteten. Als Basis dienten geschliffenes Glas, Bergkristall oder Aquamarin. Bei Smaragd-Dubletten bestand die untere Schicht aus grüner Emaille, bei Smaragd-Tripletten hingegen wurde die mittlere Schicht mit grünem Glas ausgelegt.
Geschickt gesetzte Fassungen verdeckten diesen Schwindel: Von oben betrachtet wirkte der Stein sattgrün, doch von der Seite erkannte man, dass vermeintliche Smaragd deutlich heller oder sogar farblos war. In manchen Fällen kam anstelle des grünen Glases sogar eine dünne Schicht echten Smaragds zum Einsatz.

Künstlicher Smaragd aus dem Labor

Die ersten Experimente, naturgetreuen Smaragd zu züchten, gab es bereits im 19. Jahrhundert. 1848 versuchte der Chemiker Jacques-Joseph Ebelmen (1814 bis 1852) aus pulverisierten Smaragd, den er zusammen mit Borsäure zum Schmelzen brachte und anschließendes Verdampfen des Lösungsmittels Borsäure, große Kristalle zu gewinnen. Der Erfolg fiel eher mäßig aus, da die Kristalle sehr klein gerieten; Espig hält 1935 fest, dass die Kristalle nicht größer als 2 mm wurden.

1888 experimentierte der Mineraloge und Chemiker Paul Hautefeuille (1836 bis 1902) mit Beryllium- und Aluminiumoxid sowie Chrom, aber auch hier wurden die Kristalle nicht größer als 2 mm.

Da die Wissenschaftler damals wussten, welche „Zutaten“ sie benötigten, um einen chemisch baugleichen Smaragd zu produzieren, war der Forscherdrang der folgenden Generationen geweckt.

Das Rezept, nach dem sich die Forschenden der I.G. Bitterfeld richteten, setzte auf Beryllium- und Aluminiumoxid, Siliciumdioxid sowie Lithiumchromat. 1911 wurden in Bitterfeld schließlich die ersten Smaragdsynthesen gewonnen, wobei der Mischung zusätzlich noch Fragmente von natürlichem Smaragd hinzugefügt wurden. Das als Flux-Methode oder Flussmittelverfahren bekannt gewordene Prinzip beruht darauf, die o.g. Zutaten, die sich an der chemischen Zusammensetzung von Smaragden orientierten, plus ein Flussmittel bei einer Temperatur von 800 °C unter Normaldruck miteinander zu verschmelzen und anschließend kontrolliert abzukühlen. Abhängig davon, wie gesättigt die Lösung war, wuchsen teilweise bis zu 2 cm große Kristalle heran. Dennoch kamen die Bitterfelder Smaragde nie auf den Markt, da die Kosten der Herstellung zu hoch waren. Stattdessen wurden die Bitterfelder Smaragde bis 1942 produziert, um diese für Werbezwecke des Unternehmens zu verwenden.

Der Durchbruch gelang schließlich dem französischen Chemiker Pierre Gilson, der 1963 Smaragde mit einer Größe von bis zu 47 Karat im Rohgewicht präsentierte. Wofür die Natur Jahrmillionen braucht, entstehen unter Laborbedingungen binnen weniger Tage oder Wochen repräsentable Kristalle. Gilsons Smaragde waren allerdings noch nicht das Nonplusultra. Die Farbe war laut dem Gemmologen Richard Liddicoat (1918 bis 2002) zu gelbstichig und nicht vom smaragdtypischen Grün mit einem Hauch von Blau.

Ein weiterer Name, der mit künstlichen Smaragden fällt, ist Johann Lechleitner. 1959 stellte der österreichische Chemiker sein Produkt erstmals unter dem Namen Emerita vor, was im übertragenen Sinn mit kleiner Smaragd oder die „die kleine Grüne“ übersetzt wird.

Dem Mineralogen und Gemmologen Karl Schlossmacher (1887 bis 1980) zufolge verwendete Lechleitner Goshenit – die farblose Varietät der Beryll-Gruppe – als Keimkristall, an dem Zuchtkristall anwachsen konnte. Das Verfahren, mit dem Lechleitner seine Smaragdkristalle züchtete, ist in der Wissenschaft als Hydrothermalverfahren bekannt. Lechleitner konzentrierte sich auf diese Methode, da er herausgefunden hatte, dass Smaragdkristalle am besten in hochtemperierten wässrigen Lösungen wachsen.

Die Synthese à la Lechleitner findet in einem Autoklav (Druckbehälter) statt, da die Löslichkeit der einzelnen Komponenten unter Hitze und Hochdruck am besten gegeben ist. Im unteren Teil des Autoklavs befindet sich eine wässrige Lösung, die mit einem pH-Wert von 0,1 extrem sauer ist, während im Oberteil des Autoklavs der 8 bis 10 mm große Keimkristall befestigt ist, an dem sich die Kristalle aus der zu kristallisierenden Lösung anlagern. Bei 1.400 °C werden Bestandteile aufgeschmolzen und anschließend wird die Temperatur stufenweise verringert, um die Entstehungsbedingungen in der Natur zu simulieren und trotz der geringen Dauer von 20 Tagen ein gleichmäßiges Kristallwachstum zu initiieren.

Abhängig vom Bau der Kristalle werden drei Varianten des Lechleitner-Smaragds unterschieden.

1. Typ 1-Smaragde bestehen aus einem farblosen Kristall, der als Starterkristall für den hauchdünnen Überzug mit gezüchtetem Smaragd dient. Da die Schicht des Zuchtsmaragds nur oberflächlich ist, werden die Steine vorab geschliffen, da beim späteren Facettieren der Smaragdmantel wieder abgetragen werden würde. Auf den ersten Blick erinnern diese Kristalle an natürlichen Smaragd, da die Kristalloberfläche häufig von filigranen Rissen durchzogen ist, die Ähnlichkeit mit den smaragdtypischen Jardins aufweisen.
2. Typ 2 der Lechleitner-Smaragde vertrauen auf das Tripletten-Prinzip, alternativ auch als Sandwich-Methode bezeichnet. Zwischen ein geschliffenes Ober- und Unterteil aus Goshenit, Bergkristall oder Glas wird eine Lage bestehen aus einem gezüchteten Smaragd gelegt. In der seitlichen Betrachtung wirkt der Stein farblos, getrennt durch durch einen feinen grünen Gürtel. In der Aufsicht allerdings erscheint die grüne Schicht durch und der Stein wirkt gänzlich grün.
3. Dahingegen besteht der 3. Typ der Lechleitner-Smaragde vollständig aus synthetischem Smaragd.

Die heute erhältlichen künstlichen Smaragde stammen vorrangig aus Russland, China, Japan und den USA und werden im Hydrothermalverfahren produziert.

Die Wachstumsrate der synthetischen Smaragdkristalle beträgt etwa 1 mm pro Tag.
Faszinierend ist dass die im Autoklav gewonnenen Kristalle den hexagonalen Habitus aufweisen und nicht wie bei anderen Zuchtkristallen üblich die Form von Schmelzbirnen.

Schmelzbirnen entstehen häufig im Zuge des Verneuil-Verfahrens. Eine Methode, die bei der Smaragdsynthese nicht funktioniert, da Chrom als farbgebendes Element kompliziert ist und im Zusammenhang mit den übrigen Substanzen die Mischung eher verdampft als dass diese auskristallisiert; vielmehr entsteht eine Glasschmelze.

Seit 1987 werden in China laut Schmetzer et al. 1998 Smaragde synthetisiert, die echtem Smaragd noch ähnlicher sind und dabei innerhalb weniger Tage erstaunliche Kristalle hervorbringen. Das Geheimnis: der mit 4,5 kbar deutlich höhere Druck im Autoklav, der eine Wachstumsgeschwindigkeit von 0,5 mm pro Tag ermöglicht.

Zusammengesetzter Smaragd

1994 kamen Smaragde auf den Markt, die vollständig aus echtem Smaragd bestehen, aber ähnlich wie Pressbernstein aus vielen kleinen Smaragden zusammengesetzt wurden. Jene Smaragde waren entweder zu klein für die Verarbeitung zu Schmuck oder waren Schleifreste aus Edelsteinschleifbetrieben.

Die als AGEE Emerald bezeichneten Smaragde wurden in Japan gefertigt, wobei das Unternehmen laut Hanni und Kiefert 1994 unbehandelten Smaragd aus Kolumbien – das Land mit dem Ruf der schönsten Smaragde der Welt – pulverisierte, reinigte und unter Hydrothermalbedingungen ohne Zuhilfenahme weiterer Hilfsstoffe zu einem großen Kristall zusammenschmolz.

Synthesen mit vielen Namen

Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte gab es viele Versuche und Erfolge, Smaragde künstlich zu erschaffen. Verschiedene Unternehmen und Personen arbeiteten daran, den grünen Edelstein naturgetreu unter Laborbedingungen zu züchten. Dementsprechend viele Namen tragen die Synthesen von Smaragd.

Künstlicher Smaragd: pro und contra

Als die gewichtigsten Argumente für Edelstein-Synthesen werden der Preisvorteil und die stetige Verfügbarkeit bei immer gleichbleibender Qualität genannt.
Tatsächlich sind Synthesen, vom welchem Schmuck- oder Edelstein auch immer, durchschnittlich 40 Prozent günstiger gegenüber dem natürlichen Pendant. Der Hintergrund: die Kosten für den Abbau entfallen, genau wie das ökologische Desaster hinsichtlich Errichtung und Erhalt der Mine sowie Fragen zur Zukunft nach der Stilllegung des Abbaus ausbleiben.

Ein anderer Pluspunkt für synthetische Edelsteine ist die Tatsache, dass synthetische Edelsteine innerhalb kurzer Zeit in allen erdenklichen Farben und Arten hergestellt werden können. Makel wie Einschlüsse, die im Nachgang korrigiert werden, oder Farben, die im Nachhinein optimiert werden, können durch die Zucht im Labor umgangen werden.

Dem gegenüber steht der große Nachteil synthetischer Edelsteine. Seit Jahrzehnten werden Edelsteine als Anlage mit Wertsteigerungspotential verkauft. Endende Ressourcen bestimmter Edelsteine wie zum Beispiel Tansanit oder erschöpfte Minen einiger Vorkommen erhöhen den Wert ungemein. Gezüchtete Edelsteine sind in dieser Hinsicht ungeeignet.

Echten Smaragd erkennen

Die aktuellen Smaragdsynthesen sind echten Smaragden verblüffend ähnlich.
Galten kristallklare Smaragde lange Zeit als Indiz für eine Fälschung, werden heute gezielt Unreinheiten eingearbeitet, um die Synthese so authentisch wie möglich zu halten. Smaragde sind entstehungsbedingt nicht mit der höchsten Reinheit gesegnet: unzählige Risse und Hohlräume durchziehen das Mineral, was dem Wert keinen Abbruch tut. Im Gegenteil; die wie feine Bäumchen oder Moose aussehenden Fehler werden in der Gemmologie als Jardin (Garten) bezeichnet.

Wer auf Nummer Sicher gehen möchte, wird um den Weg zu einem gemmologischen Labor nicht umhinkommen. Gemmologinnen und Gemmologen arbeiten mit einer Vielzahl von Untersuchungsmethoden, z.B. Infrarotspektroskopie oder Raman-Spektroskopie, und Geräten, um die Echtheit via Zertifikat zu bestätigen und besitzen ein geschultes Auge gepaart mit jahrelanger Erfahrung und Edelstein-Expertise.

Dennoch: ein Blick unter die Juwelierslupe ist die erste Möglichkeit, Smaragde von Imitationen aus Glas zu unterscheiden. Glas zeigt unter der Vergrößerung Schlieren und Luftblasen, deren äußere Konturen dunkler sind bzw. Schatten werfen, während der gasgefüllte Hohlraum heller erscheint – genau wie die Kanten der Facetten heller wirken.

Synthetische Smaragde sind unter mikroskopischer Betrachtung genauso spannend: helle, weißliche, an Spinnenweben erinnernde Strukturen und spitz zulaufende Hohlräume sind ein Zeugnis für die Herkunft aus dem Labor. Smaragde nach dem Lechleitner-Prinzip lassen sich entlarven, da unter dem Mikroskop das schichtartige Wachstum der Kristalle deutlich wird, Heilungsrisse, spiralförmige Gebilde, winkelartige Wachstumsformen oder auch parallel verlaufende Wachstumsrichtungen sowie Einschlüsse von Phenakit und Chrysoberyll als Fremdmineralien im Kristall, die zeitgleich während der Zucht entstanden sind, deuten auf den nicht-natürlichen Ursprung hin.

Etwa skurril muten Drähte in Smaragdkristallen an, die auch schon gefunden wurde. Die Drähte sind Reste der künstlichen Herstellung, als die Keimkristalle mittels Metalldrähten im Autoklav befestigt und nach dem Ende der Synthese abgeknipst wurden. Auch die Farbe stellt einen ersten Hinweis bezüglich der Echtheit dar. Ist die Farbe sehr einheitlich und gleichmäßig, spricht vieles für einen synthetischen Ursprung. In den Anfangsjahren der Smaragdsynthese – 1960/70er Jahre – waren es vor alle die kräftig-grüne Farbe, anhand der Charles Schiffmann zufolge Synthesen leicht zu erkennen wären, gepaart mit wolkigen Trübungen der Kristalle.

Unterschiede in Hinblick auf den Refraktionsinex gestalten sich mitunter ebenfalls schwierig. Vor allem Chatham-Smaragde weichen annähernd gleiche Werte auf wie Smaragde aus Brasilien, Kolumbien und Russland.

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