Las gemas sintéticas son química y estructuralmente idénticas a las piedras que se encuentran en la naturaleza. Las gemas de imitación, por el contrario, son piedras que están hechas para parecer similares a una gema en particular. Hay algunos procesos básicos que producen una variedad de piedras preciosas. Las gemas sintéticas incluyen granate, espinela, esmeralda, zafiro y diamante. La mayoría de estas piedras se producen para su uso en joyería. Los diamantes se usan como abrasivos, mientras que los rubíes y los granates se usan en láseres.
La primera gema sintética utilizada en joyería fue la esmeralda. El proceso empleado en su fabricación está patentado y se mantiene en secreto, pero probablemente implica un método de crecimiento de fundente en el que se funden silicatos de alúmina y berilio con adiciones de cromo para dar color. Las esmeraldas cristalizan fuera del fundente. Puede llevar un año producir piedras por este proceso.
El proceso Verneuil o de fusión por llama se utiliza en la producción de zafiros y rubíes. Requiere grandes cantidades de hidrógeno y oxígeno, por lo que consume grandes cantidades de energía. Este proceso consiste en calentar un cristal semilla con una llama de oxígeno hasta que la superficie sea líquida. Materia prima alimentada como la IA2O3 porque el zafiro se agrega con cuidado. A medida que la materia prima se funde, el cristal semilla se retira lentamente de la llama, lo que hace que el líquido más alejado de la llama se solidifique. El extremo más cercano a la llama aún está líquido y listo para recibir más materia prima. El resultado final es la formación de un cristal en forma de varilla. Los colores diversos se crean agregando pequeñas cantidades de varios iones metálicos a las materias primas. Ruby se crea reemplazando el 0.1% de sus iones de aluminio con átomos de cromo.
Espinela, un germen sintético incoloro (MgAI2O4), está hecho por el proceso de Verneuil. Junto con el zafiro, la industria utiliza la espinela para proporcionar una amplia gama de colores para usar como piedras de nacimiento y en anillos de clase. El color producido al agregar los mismos iones metálicos será diferente en la espinela que en el zafiro.
Los diamantes sintéticos se utilizan en la industria debido a su dureza. Las aplicaciones de los diamantes incluyen corte, pulido, esmerilado y taladrado. Algunos de los usos comunes son el corte y pulido de granito para la construcción de edificios, la perforación de pozos y el pulido de aleaciones no ferrosas. Además, se están desarrollando procesos que depositarán diamantes en las superficies para proporcionar superficies transparentes, duras y resistentes a los rayones.
Los diamantes se forman cuando el carbono elemental o el grafito se someten a presión y calor a lo largo del tiempo. Para crear un diamante en la planta de producción, se combinan catalizadores de grafito y metal y se presionan juntos a altas temperaturas (hasta 1,500 °C). El tamaño y la calidad de los diamantes se controlan ajustando el tiempo, la presión y/o el calor. Se utilizan grandes matrices de carburo de tungsteno para lograr las altas presiones necesarias para formar diamantes en un período de tiempo razonable. Estos troqueles miden hasta 2 m de ancho y 20 cm de grosor, se asemejan a una dona grande. La mezcla de grafito y catalizador se coloca en una junta de cerámica y los pistones cónicos se aprietan desde arriba y desde abajo. Después de un tiempo específico, la junta que contiene diamantes se retira de la prensa. Las juntas se rompen y el grafito que contiene diamantes se somete a una serie de agentes diseñados para digerir todo el material excepto los diamantes. Los reactivos empleados son agentes fuertes que son fuentes potenciales de quemaduras significativas y lesiones respiratorias. Los diamantes con calidad de gema se pueden producir de la misma manera, pero los largos tiempos de prensa necesarios hacen que este proceso sea prohibitivamente caro.
Los peligros resultantes de la fabricación de diamantes incluyen la exposición potencial a ácidos altamente reactivos y agentes cáusticos en grandes volúmenes, ruido, polvo de la formación y rotura de juntas de cerámica y exposición al polvo metálico. Otro peligro potencial es creado por la falla de los troqueles de carburo masivo. Después de un número variable de usos, los troqueles fallan, lo que representa un riesgo de traumatismo si no se aíslan los troqueles. Los problemas ergonómicos surgen cuando los diamantes fabricados se clasifican y clasifican. Su pequeño tamaño hace que este sea un trabajo tedioso y repetitivo.