El método Verneuil (o proceso Verneuil o técnica Verneuil ), también llamado fusión por llama , fue el primer método comercialmente exitoso de fabricación de piedras preciosas sintéticas , desarrollado a fines 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 imitadores de diamante rutilo , titanato de estroncio y espinela. El principio del proceso implica fundir una sustancia finamente pulverizada utilizando una llama de oxihidrógeno y cristalizar las gotitas fundidas en una bola . El proceso se considera el paso fundador de la tecnología moderna de crecimiento industrial de cristales y sigue siendo ampliamente utilizado hasta el día de hoy. [2] [3]
Desde que comenzó el estudio de la alquimia , ha habido intentos de producir sintéticamente piedras preciosas, y el rubí , al ser 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 fundir 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. En 1877, el químico Edmond Frémy había ideado un método eficaz para la fabricación comercial de rubíes mediante 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 su momento, pero ahora se cree que son los primeros rubíes producidos por fusión a la llama, anteriores al trabajo de Verneuil sobre 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 piedra preciosa de gran tamaño. Esta constatación, junto con la disponibilidad del recientemente desarrollado soplete de oxihidrógeno 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 2000 °C (3630 °F) y se recristalizaban sobre un soporte debajo de la llama, creando un gran cristal. Anunció su trabajo en 1902, publicando los detalles que describían el proceso en 1904.
En 1910, el laboratorio de Verneuil se había ampliado a una instalación de producción de 30 hornos, y la producción anual de piedras preciosas mediante el proceso Verneuil había alcanzado los 1000 kg (2200 lb) en 1907. En 1912, la producción alcanzó los 3200 kg (7100 lb), y llegaría a los 200 000 kg (440 000 lb) en 1980 y los 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 para producir zafiros de alta calidad en la Unión Soviética durante los siguientes 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, como los relojes.
El proceso fue diseñado principalmente para la síntesis de rubíes, que se convirtieron en la primera piedra preciosa que se produjo a escala industrial. Sin embargo, el proceso Verneuil también podía utilizarse para la producción de otras piedras, incluido el zafiro azul , que requería el uso de óxidos de hierro y titanio en lugar de óxido de cromo, así como otros más elaborados, como los zafiros estrella , a los que se añadía titania ( dióxido de titanio ) y la bola se mantenía en el calor durante más tiempo, lo que permitía 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 dichos zafiros estrella, hasta que se interrumpió la producción en 1974 debido a la competencia extranjera.
A pesar de algunas mejoras en el método, el proceso Verneuil permanece prácticamente inalterado hasta el día de hoy, mientras mantiene una posición líder en la fabricación de piedras preciosas sintéticas de corindón y espinela . Su revés más significativo llegó en 1917, cuando Jan Czochralski introdujo el proceso Czochralski , que ha encontrado numerosas aplicaciones en la industria de semiconductores , donde se requiere una calidad de cristales mucho mayor 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 donde se utiliza rubí natural como material de "alimentación".
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 alúmina. La presencia de impurezas de sodio es especialmente indeseable, ya que hace que el cristal sea opaco . [4] Pero como la bauxita de la que se obtiene la alúmina es muy probablemente mediante el proceso Bayer (cuya primera etapa introduce soda cáustica para separar el Al2O3 ) , se debe prestar especial atención a la materia prima. [5]
Dependiendo de la coloración deseada del cristal, se añaden pequeñas cantidades de diversos 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 u oxalato doble de titanilo para producir titanato de estroncio. Alternativamente, se pueden utilizar cristales pequeños y 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 vibra 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, en el 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 2000 °C (3630 °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 sobre la punta, comienza a formarse un monocristal , llamado bola , y el soporte se mueve lentamente hacia abajo, lo que permite que la base de la bola cristalice, mientras que su tapa siempre permanece líquida. La bola tiene forma de cilindro cónico, con un diámetro que se ensancha a medida que se aleja de la base y que finalmente permanece más o menos constante. Con un suministro constante de polvo y la retirada del soporte, se pueden obtener bolas cilíndricas muy largas. Una vez que se saca del horno y se deja enfriar, la bola se parte a lo largo de su eje vertical para aliviar la presión interna; de lo contrario, el cristal será propenso a fracturarse cuando se rompa el tallo debido a un plano de separación vertical . [6]
Al describir inicialmente el proceso, Verneuil especificó una serie de condiciones cruciales para obtener buenos resultados. Estas incluyen: una temperatura de llama que no sea más alta que la necesaria para la fusión; mantener siempre el producto fundido en la misma parte de la llama de oxhidrógeno; 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 utilizando el proceso tiene 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 orientado a medida 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 una gran ampliación para distinguirlos. Una característica reveladora es que el cristal Verneuil tiene líneas de crecimiento curvas (estrías curvas), ya que la bola cilíndrica crece hacia arriba en un entorno con un alto gradiente térmico , mientras que las líneas equivalentes en los cristales naturales son rectas. Otra característica distintiva 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]
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