El método Verneuil (o proceso Verneuil o técnica Verneuil ), también llamado fusión por llama , fue el primer método comercialmente exitoso para fabricar piedras preciosas sintéticas , desarrollado a finales de 1883 [1] por el químico francés Auguste Verneuil . Se utiliza principalmente para producir las variedades de corindón rubí , zafiro y padparadscha , así como los diamantes simulantes de titanato de rutilo y estroncio . El principio del proceso consiste en fundir una sustancia finamente pulverizada utilizando un llama de oxihidrógeno , y cristalizando las gotitas derretidas en una bola . El proceso se considera el paso fundamental de la tecnología moderna de crecimiento de cristales industriales y sigue siendo de amplio uso hasta el día de hoy. [2] [3]
Historia
Desde que comenzó el estudio de la alquimia , ha habido intentos de producir piedras preciosas sintéticamente, y el rubí , que es una de las gemas cardinales más preciadas , ha sido durante mucho tiempo un candidato principal. En el siglo XIX, se lograron avances significativos, con el primer rubí formado al derretir dos rubíes más pequeños juntos en 1817, y los primeros cristales microscópicos creados a partir de alúmina ( óxido de aluminio ) en un laboratorio en 1837. Para 1877, el químico Edmond Frémy había ideado un método eficaz para la fabricación comercial de rubíes mediante el uso de baños fundidos de alúmina, produciendo las primeras piedras sintéticas con calidad de piedra preciosa. El químico parisino Auguste Verneuil colaboró con Frémy en el desarrollo del método, pero pronto pasó a desarrollar de forma independiente el proceso de fusión por llama, que eventualmente llevaría su nombre.
Una de las fuentes de inspiración de Verneuil para desarrollar su propio método fue la aparición de rubíes sintéticos vendidos por un comerciante ginebrino desconocido en 1880. Estos "rubíes de Ginebra" fueron descartados como artificiales en ese momento, pero ahora se cree que son los primeros rubíes producidos por fusión de llama, anterior al trabajo de Verneuil en el proceso en 20 años. Después de examinar los "rubíes de Ginebra", Verneuil llegó a la conclusión de que era posible recristalizar óxido de aluminio finamente molido en una gran piedra preciosa. Este descubrimiento, junto con la disponibilidad del soplete de oxihidrógeno desarrollado recientemente y la creciente demanda de rubíes sintéticos, lo llevaron a diseñar el horno Verneuil, donde la alúmina purificada finamente molida y el óxido de cromo se fundían con una llama de al menos 2.000 ° C (3.630 ° C). F), y se recristalizó en un soporte debajo de la llama, creando un gran cristal. Anunció su trabajo en 1902, publicando detalles que describen el proceso en 1904.
En 1910, el laboratorio de Verneuil se había expandido a una instalación de producción de 30 hornos, y la producción anual de piedras preciosas mediante el proceso Verneuil alcanzó los 1.000 kg (2.200 lb) en 1907. Para 1912, la producción alcanzó los 3.200 kg (7.100 lb) y continuaría para llegar a 200.000 kg (440.000 lb) en 1980 y 250.000 kg (550.000 lb) en 2000, liderada por la fábrica de Hrand Djevahirdjian en Monthey , Suiza , fundada en 1914. Las mejoras más notables en el proceso se realizaron en 1932, por SK Popov , quien ayudó a establecer la capacidad de producir zafiros de alta calidad en la Unión Soviética durante los próximos 20 años. También se estableció una gran capacidad de producción en los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial , cuando las fuentes europeas no estaban disponibles y las joyas tenían una gran demanda para sus aplicaciones militares.
El proceso fue diseñado principalmente para la síntesis de rubíes, que se convirtió en la primera piedra preciosa producida a escala industrial. Sin embargo, el proceso Verneuil también podría usarse para la producción de otras piedras, incluido el zafiro azul , que requería que se usaran óxidos de hierro y titanio en lugar del óxido de cromo, así como otras más elaboradas, como los zafiros estrella , donde la titania ( dióxido de titanio ) y la bola se mantuvo en el calor por más tiempo, permitiendo que las agujas de rutilo cristalizaran en su interior. En 1947, la división Linde Air Products de Union Carbide fue pionera en el uso del proceso Verneuil para crear tales zafiros estrella, hasta que la producción se interrumpió en 1974 debido a la competencia en el extranjero.
A pesar de algunas mejoras en el método, el proceso Verneuil se mantiene prácticamente sin cambios hasta el día de hoy, al tiempo que mantiene una posición de liderazgo en la fabricación de piedras preciosas de corindón sintético y espinela . Su revés más significativo se produjo en 1917, cuando Jan Czochralski introdujo el proceso Czochralski , que ha encontrado numerosas aplicaciones en la industria de los semiconductores , donde se requiere una calidad de cristales mucho más alta que la que puede producir el proceso Verneuil. Otras alternativas al proceso surgieron en 1957, cuando Bell Labs introdujo el proceso hidrotermal , y en 1958, cuando Carroll Chatham introdujo el método de flujo . En 1989, Larry P. Kelley de ICT, Inc. también desarrolló una variante del proceso Czochralski en el que se utiliza rubí natural como material de "alimentación".
Proceso
Uno de los factores más cruciales para cristalizar con éxito una piedra preciosa artificial es obtener un material de partida de alta pureza, con al menos un 99,9995% de pureza. [4] En el caso de la fabricación de rubíes, zafiros o padparadscha , este material es la alúmina. La presencia de impurezas de sodio es especialmente indeseable, ya que hace que el cristal sea opaco . [ cita requerida ] Pero debido a que la bauxita de la que se obtiene la alúmina es más probable por medio del proceso Bayer (la primera etapa del cual introduce sosa cáustica para reducir el Al 2 O 3 ) se debe prestar especial atención a la materia prima. [5]
Dependiendo de la coloración deseada del cristal, se agregan pequeñas cantidades de varios óxidos , como óxido de cromo para un rubí rojo, u óxido férrico y titania para un zafiro azul. Otros materiales de partida incluyen titania para producir rutilo o doble oxalato de titanilo para producir titanato de estroncio. Alternativamente, se pueden usar pequeños cristales sin valor del producto deseado.
Este material de partida se pulveriza finamente y se coloca en un recipiente dentro de un horno Verneuil, con una abertura en la parte inferior a través de la cual el polvo puede escapar cuando se hace vibrar el recipiente. Mientras se libera el polvo, se suministra oxígeno al horno y viaja con el polvo por un tubo estrecho. Este tubo está ubicado dentro de un tubo más grande, al que se suministra hidrógeno . En el punto donde el tubo estrecho se abre al más grande, se produce la combustión , con una llama de al menos 2.000 ° C (3.630 ° F) en su núcleo. A medida que el polvo pasa a través de la llama, se funde en pequeñas gotas que caen sobre una varilla de soporte de tierra colocada debajo. Las gotas forman gradualmente un cono de sinterización en la varilla, cuya punta está lo suficientemente cerca del núcleo para permanecer líquida. Es en esa punta donde finalmente se forma el cristal semilla . A medida que caen más gotas en la punta, comienza a formarse un solo cristal , llamado bola , y el soporte se mueve lentamente hacia abajo, permitiendo que la base de la bola cristalice, mientras que su tapa siempre permanece líquida. La bola tiene la forma de un cilindro ahusado, con un diámetro que se ensancha desde la base y finalmente permanece más o menos constante. Con un suministro constante de polvo y retirada del soporte, se pueden obtener bolas cilíndricas muy largas. Una vez que se saca del horno y se deja enfriar, la bola se divide a lo largo de su eje vertical para aliviar la presión interna; de lo contrario, el cristal será propenso a fracturarse cuando el tallo se rompa debido a un plano de división vertical . [6]
Al delinear inicialmente el proceso, Verneuil especificó una serie de condiciones cruciales para obtener buenos resultados. Estos incluyen: una temperatura de llama que no sea más alta de lo necesario para la fusión; manteniendo siempre el producto fundido en la misma parte de la llama de oxihidrógeno; y reducir el punto de contacto entre el producto fundido y el soporte a un área lo más pequeña posible. La bola promedio producida comercialmente que utiliza el proceso es de 13 mm (0,51 pulgadas) de diámetro y de 25 a 50 mm (0,98 a 1,97 pulgadas) de largo, con un peso de aproximadamente 125 quilates (25,0 g). El proceso también se puede realizar con un cristal semilla personalizado para lograr una orientación cristalográfica deseada específica .
Los cristales producidos por el proceso Verneuil son química y físicamente equivalentes a sus contrapartes naturales, y generalmente se requiere un gran aumento para distinguir entre los dos. Una de las características reveladoras de un cristal de Verneuil son las líneas de crecimiento curvas (estrías curvas) que se forman cuando la bola cilíndrica crece hacia arriba en un entorno con un alto gradiente térmico ; las líneas equivalentes en cristales naturales son rectas. Otro rasgo distintivo es la presencia común de burbujas de gas microscópicas formadas debido a un exceso de oxígeno en el horno; las imperfecciones en los cristales naturales suelen ser impurezas sólidas. [6]
Ver también
- Método de Bridgman-Stockbarger
- Método de Czochralski
- Silicio de zona flotante
- Método Kyropoulos
- Crecimiento de pedestal calentado por láser
- Micro-tirando hacia abajo
- Fábrica de gemas Shelby
Referencias
- ^ "The Chemical News y Journal of Physical Science" . 1891.
- ^ Dobrovinskaya, Elena R .; Lytvynov, Leonid A .; Pishchik, Valerian (2009). Zafiro: Material, Fabricación, Aplicaciones . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387856957.
- ^ Pelleg, Joshua (2016). "Difusión en cristales individuales de alúmina". Difusión en cerámica (PDF) . Springer Science & Business Media. doi : 10.1007 / 978-3-319-18437-1_11 .
- ^ Bhat, HL (2014). Introducción al crecimiento de cristales: principios y práctica . Prensa CRC. pag. 173. ISBN 9781439883303.
- ^ Kelly, James Leslie (1962). Un estudio de las influencias de las impurezas del proceso Bayer en la cristalización de trihidrato de alúmina . Disertación presentada al Centro de Graduados de la Universidad Estatal de Luisiana y la Facultad de Agricultura y Mecánica En cumplimiento parcial de los requisitos para el título de Doctor en Filosofía en el Departamento de Ingeniería Química: Universidad Estatal de Luisiana y Facultad de Agricultura y Mecánica.
- ^ a b "Método Verneuil / Flame-Fusion" . Buzz de piedras preciosas. Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2008.
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- RT Liddicoat Jr., Gem , McGraw-Hill AccessScience, enero de 2002, página 2.
- Hughes, RW; Koivula, JI (octubre de 2005). "Curvas peligrosas: un nuevo examen de corindón sintético Verneuil" .