martes, 5 de abril de 2016

COMO SE HACEN LOS CRISTALES DE PIEDRAS PRECIOSAS




El Crecimiento de Cristales

Las piedras preciosas pueden ser creadas artificialmente en laboratorios utilizando cualquiera de varios métodos posibles de crecimiento de cristales.







Un poco de historia

El vidrio ha sido fabricado desde hace miles de años. 
La fabricación de vidrio se consideró un gran arte por los antiguos egipcios, griegos y romanos y la joyería tachonada con réplicas de cristal se puede ver en los museos. 
Incluso hoy en día el vidrio es un sustituto ampliamente utilizado y popular para las gemas coloreadas tales como rubíes , esmeraldas, aguamarinas y amatistas y que a veces puede ser eficaz y atractivo. 




Piedras de cristal se fijan a menudo con un respaldo de lámina metálica en la parte de abajo, escondida en el engaste. 
El papel refleja la luz y crea un brillo mucho mayor que el vidrio por sí solo. 
Pero el vidrio carece de la dureza y la dispersión de muchas piedras preciosas naturales, y la humanidad ha buscado durante mucho tiempo mejores sustitutos para las gemas.





Una por una, durante los últimos cien años, cada una de las principales gemas se han duplicado en el laboratorio. 
Las primeras en aparecer fueron los rubíes y zafiros, seguido de espinelas, cuarzos, esmeraldas, diamantes, ópalos, turquesas, y crisoberilos
Estas gemas eran sintéticas creadas por el hombre y por lo tanto son ópticamente y químicamente idénticas a sus contrapartes naturales. 
La larga lista de productos sintéticos de piedras preciosas ahora incluye aguamarinas, berilos, granates, circones, ópalos, turquesas, y muchos otros.






En los últimos años los avances tecnológicos en las áreas de semiconductores y láseres han requerido el desarrollo de cristales nuevos y especiales con propiedades ópticas o electrónicas útiles. 
Algunos de ellos son de colores brillantes o tienen otras características adecuadas para su uso en joyería. 
Estas nuevas gemas sintéticas no tienen homólogos naturales. 
Son creaciones de laboratorio que se han extendido en el mundo de las piedras preciosas.






Es importante recordar que incluso los materiales de imitación pueden ser tan buenos en la simulación de gemas naturales que el ojo por sí solo no puede notar la diferencia. 
Una generalización segura es que, con pocas excepciones, la autenticidad y el origen de una gema no se puede determinar a simple vista. 
El color no es un criterio adecuado, debido a que casi cualquier color puede reproducirse con la combinación correcta de los productos químicos. 





Los fabricantes pueden incluso tratar de añadir deliberadamente inclusiones de aspecto natural y las imperfecciones a sus productos. 
La producción de materiales de se ha convertido en un negocio importante, y las técnicas de fabricación se han convertido en un arte. 
La detección de los sintéticos es un desafío permanente, y debe confiarse únicamente a un gemólogo profesional o de laboratorio. 





La identificación apropiada a menudo requiere un equipo científico caro y sofisticado que está mucho más allá del alcance de una típica tienda de joyería. 






No hay nada intrínsecamente malo con gemas sintéticas. 
Tienen los colores y el brillo de las piedras preciosas más finas y son asequible a una vasta porción del mercado.
Pero las razones para adquirir una gema sintética frente a gemas naturales son a menudo muy diferentes, y los problemas surgen sólo cuando un material sintético o tratado se vende como una piedra natural.






Por ejemplo, un rubí de cinco quilates con el mejore color y transparencia podría costar 100.000 dólares por quilate, o más. 
Un rubí sintético de color y claridad idénticos que podrían, a la vista, ser indistinguible de la piedra natural, podría venderse por unos pocos cientos de dólares o menos. 
La gema natural tiene un gran valor debido a su escasez. 
Sin embargo, para la persona que simplemente quiere un rubí para el adorno personal debido a su rico color y brillo, lo sintético podría ser perfectamente adecuado y no debe ser degradado debido a su bajo coste y origen innoble.






Crecimiento Cristal

Un cristal se caracteriza por un ordenamiento, es decir, los átomos en un cristal, están dispuestos en matrices o patrones periódicos regulares. 

El objeto de crecimiento de cristales es añadir más átomos y perpetuar el patrón. 
Un cristal de siembra se utiliza para proporcionar la plantilla básica, y la materia prima, átomos sueltos, sigue siendo móvil al ser vaporizado, fundido, o disuelto en una solución. 





Por lo tanto, podemos hablar de crecimiento por vapor, crecimiento por fundido, crecimiento de flujo, o crecimiento en solución, dependiendo del medio usado para la cristalización.





El crecimiento de cristales se logra forzando los átomos no unidos en el medio de crecimiento a adherirse a la semilla. 
Esto es teóricamente relativamente simple de hacer. 
Todo lo que se requiere es que el medio de cultivo que contiene más átomos no unidos pueda manejarse a una temperatura específica. 





Por desgracia, no es tan fácil de hacer que los átomos vayan exactamente donde queremos que se vayan. 
Esto es por qué algunas personas hablan de "el arte y la ciencia de cristal en crecimiento."






Si un medio de crecimiento, digamos que una solución, se ve obligada a contener un exceso de material disuelto a una temperatura determinada, el sistema puede llegar a quedar fuera de equilibrio a una temperatura más baja. 
La dirección del cambio espontáneo es el que vuelca algo del material disuelto de nuevo fuera de la solución. 
Si la tendencia dumping es lo suficientemente fuerte, por ejemplo, un descenso de la temperatura, los átomos se adhieren entre sí y crean muchos grupos pequeños, llamados núcleos. 
La alternativa a la nucleación al azar, no controlada es proporcionar una plantilla o cristal de siembra, para que los átomos objeto de dumping se unan a ella.





El crecimiento de cristales es complicado y muchas cosas pueden salir mal. A la luz de esto, es absolutamente increíble que existan gemas.







Una piedra preciosa es una masa cristalina transparente y hacia fuera perfecta, libre de imperfecciones o defectos visibles, de color uniforme y, a veces de gran tamaño. 
Ya es bastante difícil de cultivar dichos cristales perfectos en un entorno de laboratorio controlado. 
Es casi un milagro que, dada la aleatoriedad de los ambientes naturales, existen cristales grandes y perfectas suficiente para producir piedras preciosas.

A continuación se presenta un resumen abreviado de los métodos básicos utilizados para crecer cristales. 


Crecimiento por vapor

Las sustancias mejor cultivadas a partir de vapor son las que pasan directamente desde un sólido a vapor cuando se calientan o aquellos cuyos componentes pueden ser fácilmente transportados en forma de vapor. Los materiales que pasan fácilmente de sólido a vapor se dice que son volátiles. 

En las técnicas de transporte de vapor, las sustancias deseadas reaccionan por lo general a una temperatura alta, con otro material, y los productos de la reacción son incluso más volátiles que las sustancias originales. 
Estos productos recién formados se mueven a una nueva ubicación, por lo general a una temperatura más baja, donde reaccionan de manera inversa para volver a crear los materiales de partida. 





Si el procedimiento se realiza con cuidado, la reacción produce cristales individuales. 
Este tipo cristales son característicamente agujas largas o placas delgadas, en algunos casos, el crecimiento de cristales en forma de encaje produce agregados conocidos como dendritas, por ejemplo, copos de nieve.





ECV

Deposición de vapor químico es una técnica que ha sido utilizada durante décadas para poner revestimientos delgados sobre superficies. 

El más conocido es el recubrimiento azul en lentes de cámara y binoculares. 
Su única aplicación gemológica es significativa en el crecimiento de diamantes.






Crecimiento por fundido

La mayoría de los cristales naturales se formaron fundidos a la profundidad de la Tierra. 

Los tamaños de los cristales en una roca y la forma en la que los granos han crecido juntos son significativos para los geólogos y dicen mucho sobre la historia de enfriamiento de la roca. 
Las piedras preciosas, incluyendo peridoto, feldespato, y otros, en ocasiones se cortan a partir de cristales más grandes que se encuentran en tales materias ígneas.






El término general para el crecimiento de la masa fundida es la solidificación. 
Los copos de nieve, son mono-cristales de hielo. 
Sin embargo, los cubitos de hielo en su refrigerador no lo son. 
congelación incontrolada de una masa fundida generalmente resulta en la formación de muchos pequeños cristalitos que todos crecen a la misma tasa general para llenar el espacio disponible. 
Un cubo de hielo es, pues, un agregado policristalino, que consiste en cristales interrelacionados creciendo en innumerables. lingotes, los metales fundidos cristalizan en la misma manera.






El crecimiento de la masa fundida es muy conveniente y en muchos casos requiere un equipo relativamente poco sofisticado. 
Este método no es adecuado, sin embargo, para los materiales que contienen agua o componentes volátiles en crecimiento, tales materiales se descomponen a su punto de fusión. 
En lenguaje técnico, un material congruentemente fusionable es uno que no cambia la composición en el límite entre el estado sólido y el líquido y por lo tanto se puede cultivar por uno de los métodos siguientes.






La técnica de Verneuil, o fusión de llama, fue desarrollado a finales de 1800 por Verneuil, uno de los grandes pioneros de la síntesis de piedras preciosas.
Verneuil había depositado los documentos sellados con la Academia de Ciencias de París en 1891 y 1892. 
Cuando se abrieron en 1910, estos documentos revelaban los detalles del trabajo de Verneuil en la síntesis del rubí, abriendo la puerta a la producción a gran escala.
El equipo detallado por Verneuil fue diseñado tan hábilmente que las fábricas modernas siguen empleando hornos con esencialmente las mismas especificaciones que el original.
Tal vez varios cientos de materiales han sido cultivados por el método de Verneuil, y es una de las técnica menos costosas de todas. Generalmente se venden por sólo unos centavos por quilates y están fácilmente disponibles para los aficionados y los cortadores de gemas.






La característica principal de un horno de Verneuil es un oxi-hidrógeno o un soplete de oxiacetileno. 
Un polvo de la sustancia que se cultiva pasa a través de esta llama, y las gotas fundidas caen sobre una varilla giratoria, que se retira lentamente. 
La tasa de retirada se ajusta cuidadosamente, de modo que las gotas fundidas llueven en la varilla para solidificar de una manera controlada y la acumulación de un único cristal. 
La pureza del cristal terminado es en función del polvo de partida y el ambiente en el que se cultiva el cristal. 
La calidad del cristal de Verneuil, o boule (francés para bola) depende del tamaño pureza y de partícula del polvo de alimentación, la temperatura de llama, velocidad de rotación y la retirada de la varilla de la semilla, y la capacidad para proteger el cristal de corrientes de aire. 





La popularidad del método de Verneuil para la producción de cristales se ilustra por el hecho de que, por la década de 1920, las fábricas en Europa estaban produciendo cientos de millones de quilates de cristales Verneuil anualmente.
Entre los materiales producidos en el comercio de gemas de esta manera son zafiro, rubí, corindón estrella, espinela, rutilo, titanato de estroncio, y una amplia gama de óxidos y otros compuestos.

Un rubí en un anillo heredado de su bisabuela no tiene que ser natural sólo porque tiene más de 100 años.





La técnica de Czochralski, se desarrolló originalmente para medir la velocidad de cristalización de los metales. 

Ahora es tan importante como el método de Verneuil en el crecimiento de cristales. 
La técnica consiste en la fusión de un polvo en un crisol, en general, el platino, el iridio, grafito o cerámica. 
Una rotación de una varilla con un pequeño cristal de siembra en el extremo se baja en el crisol hasta que toque la masa fundida y luego se retira lentamente. 
La cristalización en la interfaz entre la masa fundida y el producto de semillas es dos maneras: 
1. La tensión superficial tira de la masa fundida poco fuera del crisol sobre la semilla. 
Una vez que este material sale de la masa fundida, se enfría lo suficiente para solidificar, añadiéndose al cristal semilla. 
2. La conducción del calor permite que el sólido se extienda muy poco en la masa fundida, asegurando que un amplio material se retire para hacer el cristal en crecimiento cada vez mayor. 
El crecimiento de cristales continúa de esta manera hasta que todo el contenido del crisol se han retirado y añadido a la varilla.






La velocidad de tracción es normalmente del orden de 1 mm a 10 cm por hora. 
Cristales Czochralski pueden ser enormes, del tamaño de bates de béisbol.
Un número de cristales tecnológicamente vitales, tales como el silicio puro, se cultivan tirando, ya que son muchos los materiales que se cortan como gemas. 
Estos incluyen rubí, zafiro, YAG, GGG, alejandrita, y una amplia variedad de óxidos inusuales.






El método de Bridgman-Stockbarger, se desarrolló al mismo tiempo por RW Bridgman (americana), DC Stockbarger (alemán), y los rusos J. Obreimov, G. Tammann, y L. Shubnikov en el período 1924-1936. 
Se utiliza un recipiente de forma especial, en general, un tubo cilíndrico que se estrecha como un cono con un pequeño punto en un extremo. 
El tubo se llena con el polvo del material cristalino deseado y baja a través de un calentador, tipos de radio-frecuencia o de resistencia eléctrica son más comunes. 
El material en el tubo se derrite, pero la pequeña punta cónica es la primera parte del recipiente a emerger desde el calentador. 
En circunstancias ideales, no siempre, el primer bit de material fundido se solidifica en un único cristal, en lugar de un agregado policristalino. 
Además la solidificación continúa como una extensión del patrón proporcionado por este cristal semilla inducido hasta que todo el cilindro es congelado y el recipiente se llena con un solo cristal.






Hay muchas variaciones de esta técnica, algunas adaptadas para aplicaciones especializadas tales como el crecimiento de los metales de alta pureza. 
El método es muy simple en concepto y se puede emplear para crecer cristales verdaderamente inmensos, los más grande del momento, de más de tres pies de diámetro y un peso de más de una tonelada, yoduro de sodio, yoduro de cesio, y otros. 
Se utiliza comúnmente para el crecimiento de halogenuros, muchos sulfuros, y una variedad de óxidos.






Surge un problema cuando los materiales son tan reactivos que no se pueden fundir, o si el punto de fusión del material a ser cultivado es superior al de los materiales de los contenedores disponibles. 
Este último es el caso del óxido de circonio cúbico que se funde en la increíblemente alta temperatura de 2750°C. 





El crecimiento de mono-cristales de CZ no se logró hasta 1970, cuando un grupo de investigación en la URSS adapta una técnica conocida anteriormente, llamada cráneo de fusión. 
El cráneo es una taza abierta hecha de cilindros de cobre, lleno de óxido de circonio en polvo, y se calienta hasta que el polvo se funde. 
Los cilindros son huecos y se enfrían con agua, por lo que el óxido de circonio fundido es por lo tanto eficazmente contenido dentro de una cáscara gruesa de 1 mm de óxido de circonio sólido que se forma dentro de las paredes de cobre. 





Después se deja que todo el conjunto se enfríe lentamente hasta que toda la masa se ha solidificado.
Un cráneo típico contiene alrededor de un kilogramo de material, de los cuales la mitad del CZ se puede cortar. 





El óxido de circonio es la única imitación de piedras preciosas crecido por este método y que se hace en una amplia variedad de colores y en muchos lugares diferentes. 
La producción mundial de CZ se expresan en toneladas, en lugar de quilates.






Crecimiento en solución

Las soluciones son quizás los entornos de crecimiento de cristales más familiares. Incluso el simple acto de hacer una taza de café instantáneo es un estudio de la solubilidad. 

Si va a nadar en la playa, la resbaladiza ya menudo incómoda sensación que tienes después de un tiempo es causado por la evaporación del agua de mar dejando una fina costra de cloruro de sodio y otras sales en la piel. 
Usted puede incluso ver sus formas de cristal, cubos en el caso del cloruro de sodio, con una lupa.






Este método tiene importantes ventajas, incluyendo una alta movilidad de los componentes disueltos, conveniencia y facilidad de control. 
El aparato para el crecimiento puede ser tan simple y barato como una olla de agua y algunos tarros de cristal, la mayoría de las piedras preciosas, sin embargo, requieren un aparato mucho más elaborado y caro.






Los materiales de interés gemológico tienen tales bajas solubilidades que, a efectos prácticos, pueden ser considerados insolubles. 
Como en el caso de los entornos naturales, sin embargo, un poco de mineralizador, por ejemplo, hidróxido de sodio, disuelto en agua caliente aumenta dramáticamente su capacidad para disolver los silicatos tales como el cuarzo, berilo, etc. 





También es mucho más eficaz para poner el agua tanto bajo alta presión y alta temperatura. 
En estas condiciones, llamadas de crecimiento hidrotérmico, muchos cristales minerales se pueden duplicar en el laboratorio. 
Por otra parte, ya que estos son los mismos tipos de condiciones que prevalecen en el suelo, los cristales resultantes a menudo se ven sorprendentemente como los que se encuentran en los depósitos de mineral.






Una diferencia principal, sin embargo, es el tamaño. 
La naturaleza es relativamente despreocupada por la corrosión de las paredes del recipiente, la ruptura de los vasos de crecimiento si la presión es demasiado alta, o incluso la química exacta.





La naturaleza produce muy altas temperaturas y presiones con impunidad. 
El resultado puede ser espectacular: cristales de espodumena de hasta 40 pies de largo, feldespatos el tamaño de vagones de ferrocarril, y los cristales de cuarzo del tamaño de las personas. 
Hasta la fecha, los mayores cristales hidrotermales cultivadas en laboratorios pesar menos de unos pocos cientos de libras. 





Los silicatos no pueden ser cultivados de esta manera.
Estas sustancias pueden, sin embargo, cristalizar en cilindros de acero llamados bombas, que están cargados de material de alimentación, el agua, mineralizantes y cristales de siembra, y se colocan dentro de una unidad sellada denominado autoclave.






Aparatos de crecimiento hidrotérmico son una olla a presión. 
La bomba se calienta dentro del dispositivo, y, puesto que está sellado, una vez que el agua se expande para llenar el cilindro, la presión se eleva a medida que aumenta la temperatura. 
La temperatura se controla cuidadosamente, y el agua añadida a la bomba se mide exactamente, para lograr un nivel de presión predeterminado. 
Los errores aquí, como es lógico, puede ser embarazoso.






Síntesis hidrotérmica no es de gran importancia para las aplicaciones tecnológicas, excepto en el caso de cuarzo. 
Es, sin embargo, de gran importancia para las piedras preciosas sintéticas debido a que muchos materiales naturales se forman de manera hidrotermal dentro de la Tierra. 
Entre las gemas producidas de forma rutinaria en esta forma son, esmeralda, amatista y citrino
Crecimiento hidrotérmico es especialmente adecuado para materiales que contienen agua u otros componentes volátiles y que, por tanto, se descomponen en fusión.






Crecimiento de flujo


El agua es el hielo fundido, y es una solución eficaz para muchas sustancias conocidas por todos nosotros. 

No es, sin embargo, lo suficientemente potente como disolvente para disolver la mayoría de los óxidos, silicatos, y otros materiales duros. 
El hielo es un sólido cristalino que se funde a 32°C. 
Otros sólidos cristalinos se pueden fundir a temperaturas tan bajas como unos pocos cientos de grados. 
Si el agua, hielo fundido, es un buen disolvente, ¿qué pasa con las capacidades de la solución de otras sustancias fundidas?





Resulta que un número de compuestos, incluyendo bórax, óxido de litio y óxido de molibdeno, fluoruro de potasio, óxido de plomo y fluoruro, y otras mezclas, son disolventes potentes cuando se funden, de hecho, algunos productores de cristal creen que teóricamente debería ser posible encontrar un fundido en sal disolvente para cualquier cristal dado. 





Los cristales de gemas más tempranos, los rubíes hechas por Edmund Frémy, fueron cultivados a partir de soluciones de sales fundidas de corindón.
Una amplia gama de compuestos, muchos de interés gemológico, se puede cultivar de esta manera, incluyendo alejandrita y esmeralda.





Fernando Gatto
Kaia Joyas Uruguay