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Esmeraldas sintéticas
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Esmeraldas sintéticas

 

El estudio de los cristales y su fabricación viene dado por la necesidad de obtener materiales útiles para usos tecnológicos en telecomunicaciones y muchos otros campos. Algunos cristales sintéticos han tenido gran aceptación en joyería. La esmeralda sintética es uno de ellos.

Los detalles de los diferentes métodos de síntesis en muchos casos están poco documentados o sencillamente se desconocen. Además, las técnicas de fabricación se desarrollan continuamente. Por eso, la información contenida en esta página y que es fruto de notas y observaciones realizadas a lo largo de algunos años, es susceptible de ser ampliada, mejorada y corregida.

 

Las esmeraldas sintéticas se obtienen por dos métodos:

a) Técnica de crecimiento en fundente

b) Técnica hidrotermal

 

 

BREVE HISTORIA

El método que emplea un fundente tuvo éxito inicialmente ya que la tecnología necesaria es menos sofisticada que en el segundo método.

El primer crecimiento de esmeraldas en condiciones de laboratorio lo hizo Ebelmen en 1848 cuando disolvió polvo de esmeralda natural en ácida bórico y consiguió recristalizar pequeñas placas hexagonales de esmeralda.

En 1888 Hautefeuille y Perrey, ya logró verdaderas esmeraldas sintéticas usando disolventes como el molibadto de litio, Li2Mo2O7. En 14 días trabajando a 800ºC, obtuvo pequeños cristales de 1 mm de esmeralda sintética; también descubrió que a mayor temperatura se forma la fenaquita, un silicato de berilio.

En 1911, Espig comenzó a trabajar en la obtención de la esmeralda sintética para la I. G. Farben. Su primera conclusión fue que la recristalización de esmeralda no era un buen método ya que no podía controlarse la enucleación por lo que decidió disolver los componentes de la misma en varias zonas del crisol para que al difundirse y encontrarse en una zona adecuada pudiera cristalizar la esmeralda.

Como fundente utilizó molibdato de litio, con una densidad de 2.9, para que los componentes pesados: óxido de aluminio y óxido de berilio quedasen en el fondo del crisol y el componente ligero, vidrio de sílice, quedase flotando en la superficie del mismo. Como colorante utilizó cromato de litio y trabajó a 800ºC. En el interior del crisol tuvo que colocar una rejilla de platino en una posición determinada puesto que los cristales que crecían tendían a irse a la superficie del fundido estropeándose y de esta manera quedaban confinados en una zona en la que podían crecer libremente. Para poder realizar el crecimiento del material durante largos periodos de tiempo acondicionó un tubo de platino que llegaba al fondo del crisol por el cual podía añadir los óxidos metálicos. El tamaño de los cristales obtenidos por este método superaba los 2 cm en un año; pero estaban tan llenos de inclusiones que resultaban opacos. Las esmeraldas obtenidas se comercializaron con el nombre de "Igmerald".

Espig no hizo publico su trabajo hasta 1960, por lo que sus estudios no tuvieron influencia en otros laboratorios dedicados a la fabricación de esmeralda: Chatham, Gilson; que sin embargo llegaron a conclusiones parecidas para la metodología que había que aplicar en la obtención de este material.

Hacken, en 1916, también empezó a tratar de obtener esmeralda sintética. Este investigador había trabajado con reconocida solvencia en la obtención de cuarzo hidrotermal, por lo que se había dado por supuesto que las esmeraldas que llegó a obtener eran fabricadas por el mismo procedimiento, pero modernamente Nassau demostró por medio de espectroscopia infrarroja que no existía agua en el interior de estas esmeraldas, confirmando al mismo tiempo que se habían obtenido por fase fundida con molibdato de litio.

 

 

a) TÉCNICA DE CRECIMIENTO EN FUNDENTE

El primer fabricante comercial de esmeraldas es fue Carroll Chatham, que las obtuvo cuando tenía 21 años de edad por fase fundida usando un método análogo a I. G. Farben. Chatham obtuvo cristales de gran tamaño, hay uno de 203 g en el Smithsonian Institution y otro de 255 en la Universidad de Harvard. El tiempo medio de crecimiento de los cristales normales es un año aproximadamente y no suele usar semillas por lo que obtiene crecimientos cristalinos autonucleados en forma de cristales agrupados.

El otro gran fabricante de esmeralda sintética, Pierre Gilson, en 1964 resolvió el problema del fundente y comenzó la fabricación industrial.

Gilson usa una semilla de berilo incoloro natural sobre la que hace crecer la esmeralda sintética, posteriormente elimina la semilla por serrado y utiliza los cristales obtenidos de semilla para hacer crecer sobre ellos nuevas cantidades del material sintético. Las semillas tienen un tamaño de 40x1 y se montan sobre soportes de platino. El tipo de crisol usado es de dos cámaras separadas por una rejilla, en la primera de ellas se realiza la disolución de los componentes y por medio de unos agitadores se hace que pase la masa a la segunda cámara en la que se hayan dispuestas las semillas. El mecanismo físico empleado es el gradiente de concentración, por el cual la solución saturada va depositando las capas de átomos sobre la semilla lentamente. En este sistema es critica la velocidad de crecimiento, que debe ser lenta, ya que hay que evitar la formación de cristales de fenaquita y de cristales autonucleados; los cristales tardan unos 9 meses en crecer 7 mm de espesor.


La semilla que se utiliza en la actualidad se obtiene de las propias esmeraldas sintéticas que fabrica, antiguamente se utilizaban semillas de berilo incoloro. En cierto momento, para aumentar las constantes de las piedras, Gilson añadió hierro a sus esmeraldas obteniendo la "Gilson N". Esta piedra se identifica porque en su espectro aparece una absorción a 429 nm debida al hierro que no aparece nunca en el material natural.

En los últimos diez años han aparecido un gran número de fabricantes en el mercado que utilizan el método de fase fundida. Algunos de ellos son: Lennix, Inamori-Kiocera y esmeraldas rusas.

Las características identificativas de las esmeraldas son:

- Chatham. Utiliza un fundente de vanadato-molibdato de plomo, densidad.= 2,65, los índices de refracción son 1,561 - 1. 564 y birrefrigencia 0,003.

- Rusas. Se obtienen con un fundente de vanadato de plomo, PbO-V2O5 y el crecimiento de los cristales es acelerado por rotación del crisol. El crisol se calienta a 1250ºC y posteriormente se enfría a una velocidad de 3º a 10ºC por hora hasta llegar a 700º; en este momento se aboca el crisol para eliminar la máxima cantidad de fundente. Los índices de refracción son e = 1,563 ? = 1,559; br= 0,004; densidad 2.65 ± 0.01.

Presenta las siguientes inclusiones:

Fenaquita incolora.

Fundente de color marrón oscuro.

Cristales de platino.

Cristales con hábito rómbico que cambian de color con la luz y que son de alejandrita.

Fracturas soldadas en forma de huella dactilar que vistas con mayor aumento presentan una estructura ordenada y también presenta inclusiones bifásicas.

- Lennix. Los detalles del proceso no son conocidos pero según su fabricante se obtienen utilizando un crisol de material barato desechable.

Se trabaja a unos 1000º con un proceso cíclico, las esmeraldas obtenidas suelen presentar un aspecto muy parecido a las naturales con muchas inclusiones.

Verde claro, índices de refracción e = 1,556-1,562 (medio 1,559) ? = 1,558-1,566 (1,562) y birrefringencia = 0,003.

Verde oscura, índices de refracción e = 1,555-1,565 (medio 1,560) ? = 1,560-1,568 (1.564) y birrefringencia = 0.004. densidad 2,66.

Inclusiones características presentes:

Tubos opacos alineados en dirección del eje c

Crecimientos paralelos en forma hexagonal en direcciones paralelas al plano basal

Velos formados por fracturas soldadas

Inclusiones bifásicas agrupadas en el eje del pinacoide basal y a veces paralelas al eje c.

- Seiko. Esta esmeralda se fabrica en Japón. Se caracteriza los índices de refracción de: 1.560 y 1.564. El peso específico es 2.65


Inclusiones que la distinguen:

Bandas de color verde e incoloro que corren paralelas a la tabla.

Inclusiones rectangulares de fundente orientadas en una dirección.

Cristales incluidos entre la zona de distintos colores, estos cristales pueden formar agregados radiales.

Pequeñas nubosidades de fundente que suelen estar orientadas perpendicularmente a las zonas de distinto color.

Otros sintéticos Seiko se desarrollan mediante la técnica de zona de flotación.

 

 

b) TÉCNICA DE CRECIMIENTO HIDROTERMAL

Las esmeraldas hidrotermales no aparecieron en el mercado hasta 1960 cuando Johann Lechleitner logró poner a punto el sistema de fabricación. Las primeras esmeraldas consistían en semillas de berilo recubiertas de una capa más o menos gruesa de esmeralda. Estas piezas eran talladas directamente, por lo que el color de la esmeralda no era muy intenso y además solían presentar un fina estructura craquelada probablemente debida diferencias entre la semilla y el cristal crecido.

- Linde fabricó esmeralda en condiciones de elevada acidez para que el cromo pudiera mantenerse en la solución sin precipitar y así pudiera incorporarse al cristal.

Los autoclaves que utilizaba para la obtención de esmeraldas eran más pequeños que los utilizados para obtener cuarzo: 4 a 5 cm de diámetro interno y de 25 a 45 de longitud. Además el crisol se hallaba recubierto de oro internamente para que no se contaminara la disolución.

Las condiciones de crecimiento eran: 700-1400 bar y temperaturas de 500 a 600ºC con una diferencia de temperatura de 10 a 25ºC.

El crecimiento de la esmeralda se realizaba por un proceso de difusión y reacción sobre la semilla. Esto consiste en colocar los nutrientes separados ya que el óxido de silicio tiende a formar multinucleaciones y cristales de fenaquita; en la parte superior del autoclave se coloca el óxido de silicio y el mineralizador mientras que en la parte inferior se colocan los demás nutrientes el óxido de aluminio y el de berilio. De esta manera los componentes son llevados a la zona de reacción por convención y se depositan sobre las semillas ya existentes. La velocidad de crecimiento era de 1/3mm al día pero forzando las condiciones de acidez, a ph menor de 0.1, se llegaba a velocidades de 0,8 mm al día. Para obtener un tamaño de esmeraldas aceptables se tenía que repetir el proceso unas tres veces ya que el autoclave no se podía abrir durante el crecimiento. En el año 1970 la casa Linde abandonó su producción de esmeraldas ya que no pudo rentabilizarlas adecuadamente.

La patente del sistema de fabricación ha sido cedida a otra compañía que actualmente fabrica la esmeralda Regency.

- Crystals Research Co.: de Australia ha fabricado un tipo de esmeraldas hidrotermales coloreadas solo por vanadio, pero no se han desarrollado comercialmente.

Las constantes son, P.E.=2.68; I. R.= 1.566 y 1.571 ;br: 0.005

- Biron: también de Australia. Se fabrica por un proceso hidrotermal en el que se obtienen cristales limpios y grandes. Se usa como semilla berilo natural.

Peso específico: 2.68-2.71 dentro del rango del material natural. El ir. 1.569 y 1.573 ± 0.001 br=0.004-0.005 muy baja para ser hidrotermal.

Las inclusiones que la identifican son las siguientes:

Bifásicas en formas de velos.

Huellas dactilares, y tachuelas.

Se pueden ver dendritas de oro acumuladas a ambos lados de la semilla, apareciendo también en otras formas y en distintos tonos de color, desde plateado hasta amarillo.

Cristales de fenaquita en distintas formas, desde tachuelas hasta grupos o bien cristales aislados.

Líneas jarabosas, pequeñas partículas blancas formando líneas o uves.

Si se realiza un microanálisis químico se encuentra una gran cantidad de cloro, que solamente aparece en cantidad en las esmeraldas sintéticas de Linde y Regency debido al uso del cloruro de cromo para dar coloración a la esmeralda.


IDENTIFICACIÓN DE ESMERALDAS PURAS

El estudio de las inclusiones es fundamental, la esmeralda natural suele tener inclusiones y algunas de ellas con valor de diagnóstico, como pueden ser las de calcita o pirita. 

Espectrofotometría infrarroja:. La absorción de bandas en la zona del infrarrojo se debe a que los átomos no se hallan en una posición completamente rígida en la red cristalina sino que están oscilando, o mejor dicho vibrando, alrededor de unas posiciones de equilibrio. Por ello, la estructura cristalina es capaz de absorber energía en la región el infrarrojo dando unas bandas características que permiten la separación de una serie de materiales.

La primera información que podemos obtener con esta técnica es si la esmeralda es de fase fundida o no lo es; tanto la esmeralda natural como la hidrotermal tienen agua en su interior y presenta una fuerte absorción entre 3400 v 4000 cm-1, por lo tanto las esmeraldas de fase fundida se podrán separar sin mayor complicación ya que al estar libres de agua no presentaran esta banda característica. En el caso de las esmeraldas sintéticas hidrotermales el espectro presenta en casi todos los casos unas fuertes absorciones entre 2600 y 3000 cm-1. En algunos casos estas huellas se pueden observar en esmeraldas naturales pero no se encuentran con la misma intensidad que en el sintético, en el material natural aparecen bandas debidas a la existencia del anhídrido carbónico y estas bandas no aparecen en el material de origen sintético Además algunas bandas no se han detectado nunca en el material natural: 2745, 2830, 2995, 3490, 4052, y 4375 cm-1.

Solamente existen dos esmeraldas sintéticas hidrotermales que pueden presentar problemas ya que su espectro infrarrojo es muy parecidos al presente en las esmeraldas naturales.

Swaroski y una de procedencia soviética. La clave de la identificación de ambas está en las absorciones que no aparecen jamás en las esmeraldas que son de origen natural: la esmeralda soviética presenta una banda a 4052 cm-1 y la esmeralda Swaroski tiene dos bandas a 4052 y 4375 cm-1 que no aparecen nunca en la esmeralda natural. Finalmente existe una banda asociada a la vibración del CO2, a 2358 cm-1 más fuerte que la de 2340 cm-1 en las esmeraldas naturales, mientras que en las sintéticas esta situación se halla invertida.

La identificación de esmeraldas por este método es bastante rápida si se dispone de un espectrofotómetro que haga transformadas de Fourier, así mismo es un método no destructivo que puede aplicarse sobre material montado o suelto. La única precaución que se debe tener es que tratándose de material birrefringente hay que tener en cuenta que la orientación de la piedra afectará al espectro.

 

 

Esmeralda: imitación - Formula


Se imita la esmeralda fundiendo 1000 partes de pasta vítrea (vidrio, arena o el material de que se disponga, sin óxido metálico colorante) con 8 partes de óxido crómico.

También se obtienen las esmeraldas artificiales con carbonato cúprico y óxido férrico, fundiendo juntamente 43,84 partes de cristal de roca, 21,92 partes de carbonato sódico anhidro, 7,2 partes de bórax calcinado y pulverizado, 7,2 partes de minio, 3,65 partes de salitre, 1,21 partes de óxido férrico rojo y 0,6 partes de carbonato de cobre verde.

 

Esmeraldas sintéticas

 

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