Sintesi

Si definisce pietra sintetica un materiale prodotto in laboratorio che presenta le stesse caratteristiche fisiche, ottiche e chimiche del corrispondente naturale. Le gemme sintetiche sono state fabbricate a partire dalla fine del 1800 e la loro produzione è spesso segnata da una richiesta non solo in gioielleria, ma soprattutto in ambito industriale. Le prime sintesi di cui si ha notizia furono fatte fondendo nella fiamma dell’idrogeno frammenti di rubino naturale. All’inizio del secolo fu messo a punto da Verneuil un metodo che ancora oggi fornisce la maggiore quota di mercato del corindone sintetico ma anche spinello, rutilo e titanato di stronzio. Durante l’ultimo secolo la tecnologia delle sintesi ha raggiunto traguardi tanto avanzati da ottenere prodotti così validi, e così "simili" ai corrispondenti naturali, da indurre in errore non solo gioiellieri ma, a volte, persino "gemmologi" non sufficientemente preparati.

La maggior parte dei metodi di sintesi può essere racchiusa in due gruppi:

1.    Sintesi da fuso in cui la composizione chimica del fuso è la stessa del cristallo derivante dalla sintesi;

2.    Sintesi da soluzione in cui la composizione chimica della soluzione è diversa da quella del cristallo che si vuole ottenere.

I tre principali metodi di sintesi da fuso sono:

-      Metodo Verneuil (fusione da fiamma)

Il metodo della fusione da fiamma è il metodo meno costoso e più diffuso ed è utilizzato per la crescita di cristalli di ossidi ad alto punto di fusione come rubino, zaffiro e spinelli.

L’apparecchiatura è costituita da un cannello verticale alimentato con idrogeno ed ossigeno in cui un dispositivo permette di far piovere il campione in polvere fine nella zona più calda della fiamma dove fonde e di deposita in goccioline su di un germe cristallino posto su di un sostegno mobile che ha la funzione di mantenere il fuso nella zona a più alta temperatura della fiamma, ca 2050°C. Sul sostegno si forma così un caratteristico cilindro di corindone (boule).

Ad esempio per ottenere rubini si aggiunge Cr2O3 in percentuali dal 2 all’8% mentre per gli zaffiri il corindone è costituito generalmente da ossido di ferro e ossido di titanio in percentuale dall’0.5 al 1.5%. La produzione è di circa 10 carati all’ora di corindone.  

Schema del metodo di sintesi Verneuil (fusione da fiamma) per un corindone. Fonte foto: gemologyproject.com. Esempio di una boule di rubino sintetico. Fonte foto: www.gemselect.com

 

-      Metodo Czochralsky (di stiramento)

Questo metodo consiste nel crescere un cristallo a partire da un germe cristallino che viene posto a contatto (sulla superficie) del sale fuso, tenuto a temperatura costante appena al di sopra del punto di fusione. Il germe viene tirato gradualmente fuori del fuso e ruotato lentamente; il fuso raffredda e solidifica sul germe e forma un cristallo allungato con la stessa orientazione cristallografica del germe originale. Con questo metodo vengono prodotti notevoli quantità di rubini, alessandriti, crisoberilli e cristalli speciali per l’elettronica come ad esempio granati YAG o GGG.

-      Metodo della zona fluttuante

Una bacchetta di materiale policristallino viene tenuta verticale e fusa localmente mentre è sottoposta a rotazione. Mentre la zona fusa si muove lungo la bacchetta si ha una progressiva fusione del campione ad una estremità della zona e formazione del cristallo singolo all’altra estremità. Se si pone un germe ad una estremità l’intera bacchetta può essere convertita in un cristallo singolo. Questo metodo è utilizzato soprattutto per ottenere corindoni sintetici.

Schema del metodo di sintesi Czochralsky (di stiramento).
Fonte foto: www.britannica.com.
Schema del metodo di sintesi della zona fluttuante.
Fonte foto: www.tf.uni-kiel.de.

 

I due più importanti processi di sintesi da soluzione sono:

-      Metodo della crescita da fondente

Nella sintesi da fondente una polvere del composto desiderato viene mescolata con un fondente, un materiale (di solito Sali) che ha un punto di fusione basso. Questi prodotti vengono posti in un crogiuolo di platino e portati ad alte temperature (ca. 1200°C) e poi lasciati raffreddare con estrema lentezza per permettere la cristallizzazione del materiale. I tempi di crescita quindi possono essere molto lunghi (anche alcuni mesi) e i costi sono elevati per la necessità di utilizzare crogiuoli di platino.  Con questo metodo però vengono sintetizzati cristalli di alta qualità di smeraldo, corindone, alessandrite e spinello. 

-      Metodo idrotermale

Alcune sostanze non si sciolgono in acqua a basse temperature e pressioni, ma si sciolgono bene quando riscaldate ad alta temperatura e alte pressioni. Per accrescere cristalli singoli con questa tecnica è necessario utilizzare un’autoclave. I cristallini della sostanza che si vuole ottenere vengono posti sul fondo dell’autoclave e sottoforma di germe cristallino vengono sospesi in alto. L’autoclave viene poi riempita per l’85% con acqua e, una volta sigillata,  viene riscaldata a circa 400°C nella parte inferiore ed a ca 350°C nella parte superiore. In seguito all’aumento della temperatura, l’acqua nell’autoclave si espande, riempie l’autoclave e la pressione raggiunge i 20000-25000 psi. L’aumento della temperatura discioglie i cristalli presenti sul fondo e l’acqua risale l’autoclave ricca di elementi, raggiunge la zona a temperatura più bassa e si deposita sul germe cristallino. Il processo dura in media 30 giorni e produce soprattutto grandi cristalli di quarzo e in minor misura rubino e smeraldo.

Metodo di sintesi tramite crescita da fondente.
Fonte foto: www.funwing.com.
Metodo di sintesi idrotermale.
Fonte foto: www.alexandrite.net.

 

 

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while defeated warriors
go to war first
and then seek to win”

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“I guerrieri vittoriosi
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mentre i guerrieri sconfitti
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