Proceso de Verneuil

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El proceso de Verneuil, también llamada fusión por llama, fue el primer método comercial de fabricación sintética de piedras preciosas, desarrollado en 1902 por el químico francés Auguste Verneuil. Se utiliza principalmente para producir rubís y zafiros, variedades de corindón, así como las imitaciones de diamantes: rutilo y titanato de estroncio.

El principio del proceso consiste en fundir una sustancia finamente pulverizada con una llama de oxihidrógeno, y cristalizando las gotas fundidas en una bola. El proceso se considera el inicio de la moderna industria tecnológica del crecimiento de cristales, y sigue siendo ámpliamente usado en la actualidad.

Historia[editar]

Un boceto del primer horno utilizado por Verneuil para la síntesis de rubíes con el proceso Verneuil.

Desde la época de los alquimistas, ha habido intentos para producir sintéticamente las piedras preciosas. El rubí, siendo uno de los cinco apreciadas gemas cardinales, ha sido un candidato ideal para la síntesis. En el siglo XIX, esos intentos tuvieron éxito, con el rubí primero producido por la fusión de dos rubíes más pequeños en 1817, y los primeros cristales microscópicos creados a partir de alúmina (óxido de aluminio) en un laboratorio en 1837. En 1877, el químico Edmond Frémy había ideado un método eficaz para la fabricación de rubíes comerciales mediante el uso de baños de metal fundido de alímina. Produciendo piedras con calidad de gema. El químico parisino Auguste Verneuil colaboró con Fremy en el desarrollo del método, pero pronto pasó a desarrollar de forma independiente el proceso de fusión por llama, que con el tiempo llevaría su nombre.

Una de las fuentes de inspiración de Verneuil para desarrollar su propio método fue la aparición de rubíes sintéticos vendido por un comerciante desconocido de Ginebra en 1880. Estos "rubíes de Ginebra" fueron despreciados de artificial en su momento, pero ahora se cree que son los primero rubíes producido por fusión de llama, 20 años anteriores a la labor de Verneuil. Después de examinar los "rubíes de Ginebra", Verneuil llegó a la conclusión de que era posible recristalizar óxido de aluminio finamente molido en una piedra de gran tamaño. Esta toma de conciencia, junto con la disponibilidad de la antorcha detonante desarrollado recientemente y la creciente demanda de rubíes sintéticos, lo llevó a diseñar el horno de Verneuil, donde finalmente purificado de alúmina y óxido de cromo se fundieron en una llama de por lo menos 2000 ° C, y se recristaliza en un soporte debajo de la llama, creando un gran cristal. Anunció su trabajo en 1902, publicó los detalles describiendo el proceso en 1904.

En 1910, el laboratorio de Verneuil había crecido a hasta ser una planta de producción con 30 hornos. La producción anual de la piedra preciosa por el proceso Verneuil era de unos 1.000 kg en 1907. En 1912, la producción llegó a 3.200 kg, y llegaría a alcanzar las 200.000 kg en 1980 y 250.000 kg en el año 2000, dirigida fábrica Hrand Djevahirdjian Monthey, Suiza, fundada en el año 1914. Las mejoras más notables en el proceso se realizarón en 1932, por S.K. Popov , quien ayudó desarrollar la capacidad de producción de zafiros de alta calidad en la Unión Soviética a través de los próximos 20 años. Una gran capacidad de producción se desarrolló también en el Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial, cuando las fuentes europeas fueron cortadas, y había una gran demanda de estas gemas por sus aplicaciones militares.

El proceso fue diseñado inicialmente para la síntesis de rubíes, que se convirtieron en las primeras piedras preciosas que se produce sintéticamente, gracias a los esfuerzos de Fremy y Verneuil. Sin embargo, el proceso Verneuil también puede utilizarse para la producción de otras piedras, como el zafiro, que simplemente requiere sustituir el óxido férrico por óxido de cromo. Así como otros más elaborados, como los zafiros estrella, se agrega titania (dióxido de titanio) y la bola se mantiene caliente durante más tiempo, permitiendo cristalizar las agujas de rutilo en su interior. En 1947, el Linde Air Products división de Union Carbide, pionero en el uso del proceso de Verneuil para la creación de estrellas como zafiros, hasta que la producción se interrumpió en 1974 por la competencia en el extranjero.

A pesar de algunas mejoras en el método, el proceso Verneuil se mantiene prácticamente inalterado hasta nuestros días, manteniendo una posición de liderazgo en la fabricación de corindón sintético y espinela. Su revés más importante llegó en 1917, cuando Jan Czochralski presentó el proceso Czochralski, que ha encontrado numerosas aplicaciones en la industria de los semiconductores , donde el aumento de los cristales de calidad se requiere una gran parte que el proceso Verneuil puede producir. Otras alternativas para el proceso surgió en 1957, cuando los Laboratorios Bell presenta el proceso hidrotérmico, y en 1958, cuando Carroll Chatham presentó el proceso de flujo. En 1989 P Kelley Larry de TIC, Inc. también desarrollo una variante del proceso Czochralski donde se utilizan un rubí natural como "alimentación" del material.

El proceso[editar]

Un diagrama simplificado del proceso de Verneuil
Una bola pequeña de rubí, todavía unida a la barra, producida por el proceso Verneuil

Uno de los factores más cruciales en el éxito de cristalizar una piedra artificial es la obtención de materia prima altamente pura, con el 99,9995% de pureza por lo menos. En el caso de la fabricación de rubíes o zafiros, este material es de aluminio. La presencia de impurezas de sodio es especialmente negativa, puesto que hace que el cristal sea opaco. Dependiendo de la coloración deseada del cristal, se añaden pequeñas cantidades de diversos óxidos, como el óxido de cromo para un rubí rojo, o el óxido férrico y dióxido de titanio para un zafiro azul. Otras materias primas incluyen dióxido de titanio para la producción de rutilo, o doble titanilo oxalato para la producción de titanato de estroncio. Por otra parte, se pueden utilizar pequeños cristales del producto deseado carentes de valor.

La materia prima esta en forma de polvo fino y se coloca en un contenedor dentro del horno de Verneuil, con una abertura en la parte inferior a través del cual el polvo puede escapar cuando el contenedor se hace vibrar. A la vez que el polvo sale, se suministra oxígeno al horno, y viaja junto con el polvo por un tubo estrecho. Este tubo está situado dentro de un tubo más grande, en el cual se suministra hidrógeno. En el punto donde el tubo estrecho se abre en el más grande, se produce la combustión, con una llama de por lo menos 2000 ° C en su núcleo. El polvo pasa a través de la llama, y se derrite en gotitas pequeñas, que entran en una varilla de soporte de tierra situado a continuación. Las gotas poco a poco forman un aglomerado de cono en la barra, la punta de los cuales es lo suficientemente cerca del núcleo se mantenga líquido. Es en ese extremo que la semilla de cristal se forma con el tiempo. A medida que más gotas caen en la punta un solo cristal , llamado bola, comienza a formarse y el apoyo se mueve lentamente hacia abajo, permitiendo que la base de la bola a cristalizar, mientras que su límite siempre permanece en estado líquido. La bola se forma en la forma de un cilindro cónico, con un diámetro de ampliación de distancia de la base y, finalmente, se mantiene más o menos constante. Con un suministro constante de polvo y la retirada de la ayuda, bolas muy largas se pueden obtener. Una vez retirado del horno se deja enfriar, la bola se divide a lo largo de su eje vertical para aliviar la tensión interna, de lo contrario el cristal será propenso a la fractura en el tallado, se rompe debido a una vertical plano de despedida.

Cuando inicialmente describió el proceso, Verneuil especificó una serie de condiciones fundamentales para obtener buenos resultados. Estos son: una temperatura de llama que no sea mayor de lo necesario para la fusión, siempre manteniendo el producto fundido en la misma parte de la llama detonante, y la reducción del punto de contacto entre el producto fundido y el apoyo a un área tan pequeña como sea posible. El promedio de producción comercial usando el proceso es de 13 mm (0,5 pulgadas) de diámetro y de 25 a 50 mm (1 a 2 pulgadas) de largo, pesa cerca de 125 quilates (25 g). El proceso también puede realizarse con una orientación de semilla de cristal de encargo para lograr una específica orientación cristalográfica.

Cristales producidos por el proceso Verneuil son química y físicamente equivalentes a sus homólogos que ocurren naturalmente y generalmente se requiere un gran esfuerzo para distinguir entre los dos. Una de las características indicadoras de un cristal es Verneuil son las líneas curvas de crecimiento (estrías curvas) formado como la bola cilíndrica crece hacia arriba en un entorno con un alto gradiente térmico, las líneas equivalentes en los cristales naturales son paralelas. Otra característica distintiva es la presencia común de burbujas de gas microscópicas formadas debido al exceso de oxígeno en el horno, las imperfecciones de los cristales naturales son, por lo general, impurezas sólidas.

Referencias[editar]