Les gemmes synthétiques sont chimiquement et structurellement identiques aux pierres trouvées dans la nature. Les gemmes d'imitation, en revanche, sont des pierres qui ressemblent à une gemme particulière. Il existe quelques processus de base qui produisent une variété de pierres précieuses. Les gemmes synthétiques comprennent le grenat, le spinelle, l'émeraude, le saphir et le diamant. La plupart de ces pierres sont produites pour être utilisées en joaillerie. Les diamants sont utilisés comme abrasifs, tandis que les rubis et les grenats sont utilisés dans les lasers.
La première gemme synthétique utilisée en joaillerie était l'émeraude. Le processus utilisé dans sa fabrication est exclusif et gardé secret, mais implique probablement une méthode de croissance de flux dans laquelle des silicates d'alumine et de béryllium avec des ajouts de chrome pour la couleur sont fondus ensemble. Les émeraudes se cristallisent à partir du flux. Cela peut prendre un an pour produire des pierres par ce processus.
Le procédé Verneuil ou fusion à la flamme est utilisé dans la production de saphir et de rubis. Il nécessite de grandes quantités d'hydrogène et d'oxygène et consomme donc de grandes quantités d'énergie. Ce processus consiste à chauffer un germe cristallin avec une flamme oxhydrique jusqu'à ce que la surface soit liquide. Matière première alimentée telle que l'IA2O3 car le saphir est ajouté avec soin. Au fur et à mesure que la matière première fond, le germe cristallin est lentement retiré de la flamme, provoquant la solidification du liquide le plus éloigné de la flamme. L'extrémité la plus proche de la flamme est encore liquide et prête pour plus de matière première. Le résultat final est la formation d'un cristal en forme de tige. Diverses couleurs sont créées en ajoutant de petites quantités de divers ions métalliques aux matières premières. Le rubis est créé en remplaçant 0.1 % de ses ions aluminium par des atomes de chrome.
Le spinelle, un germe synthétique incolore (MgAI2O4), est fabriqué selon le procédé Verneuil. Avec le saphir, le spinelle est utilisé par l'industrie pour fournir une large gamme de couleurs à utiliser comme pierres de naissance et dans les bagues de classe. La couleur produite en ajoutant les mêmes ions métalliques sera différente dans le spinelle et dans le saphir.
Les diamants synthétiques sont utilisés dans l'industrie en raison de leur dureté. Les applications des diamants comprennent la coupe, le polissage, le meulage et le forage. Certaines des utilisations courantes sont la coupe et le meulage du granit pour la construction de bâtiments, le forage de puits et le meulage d'alliages non ferreux. De plus, des processus sont en cours de développement qui déposeront du diamant sur les surfaces pour fournir des surfaces claires, dures et résistantes aux rayures.
Les diamants se forment lorsque le carbone élémentaire ou le graphite est soumis à la pression et à la chaleur au fil du temps. Pour créer un diamant sur le sol de l'usine, il faut combiner des catalyseurs de graphite et de métal et les presser ensemble à haute température (jusqu'à 1,500 2 °C). La taille et la qualité des diamants sont contrôlées en ajustant le temps, la pression et/ou la chaleur. De grandes matrices en carbure de tungstène sont utilisées pour atteindre les hautes pressions nécessaires pour former des diamants dans un délai raisonnable. Ces matrices mesurent jusqu'à 20 m de diamètre et XNUMX cm d'épaisseur, ressemblant à un gros beignet. Le mélange de graphite et de catalyseur est placé dans un joint en céramique et des pistons coniques se pressent du haut et du bas. Après un temps déterminé, le joint contenant des diamants est retiré de la presse. Les joints sont cassés et le graphite porteur de diamants est soumis à une série d'agents conçus pour digérer tous les matériaux à l'exception des diamants. Les réactifs employés sont des agents puissants qui sont des sources potentielles de brûlures importantes et de lésions respiratoires. Les diamants de qualité gemme peuvent être produits de la même manière, mais les longs temps de pressage requis rendent ce processus d'un coût prohibitif.
Les dangers résultant de la fabrication de diamants comprennent l'exposition potentielle aux acides hautement réactifs et aux agents caustiques en grands volumes, le bruit, la poussière provenant de la formation et de la rupture des joints en céramique et l'exposition à la poussière métallique. Un autre danger potentiel est créé par la défaillance des matrices massives en carbure. Après un nombre variable d'utilisations, les matrices échouent, ce qui présente un risque de traumatisme si les matrices ne sont pas isolées. Des problèmes ergonomiques surviennent lorsque les diamants fabriqués sont classés et classés. Leur petite taille en fait un travail fastidieux et répétitif.