Conceptos generales de productos fabricados por el hombre.
La ciencia material es uno de los tres pilares de la civilización moderna (energía, información, materiales) y la base material de la civilización humana. El crecimiento de cristales es una parte importante de la investigación en ciencia de materiales, y la síntesis y el crecimiento de varios nuevos materiales cristalinos funcionales es un tema de frontera en el desarrollo de alta tecnología en el siglo XXI. Con la creciente demanda de materiales de piedras preciosas, el crecimiento de los artefactos se ha convertido en una rama importante del crecimiento del cristal. No hay duda de que comprender y dominar los principios de crecimiento, los métodos y las características de identificación de los artefactos se ha convertido en una parte importante de la gemología.
El cristal artificial es un tipo de cristal fabricado artificialmente mediante métodos científicos en un laboratorio o fábrica. Los cristales artificiales que pueden utilizarse como piedras preciosas se denominan productos artificiales. Los artefactos se dividen principalmente en dos categorías: una son las piedras preciosas sintéticas, cuya composición química, estructura cristalina y propiedades físicas son las mismas que las de sus correspondientes piedras preciosas naturales, es decir, son réplicas de piedras preciosas naturales en el laboratorio. Como rubíes y rubíes sintéticos; esmeraldas y esmeraldas sintéticas. Esta gema debe tener el prefijo "sintético" al nombre de la gema. El otro tipo son las piedras preciosas artificiales, que se refieren al tipo que se investiga de forma puramente artificial. No hay cristales correspondientes en la naturaleza, pero su apariencia es muy similar a la de las piedras preciosas naturales. Al nombrar piedras preciosas artificiales, deben llamarse por su nombre de pila y no deben asociarse con nombres de piedras preciosas naturales similares. Por ejemplo, el titanato de estroncio (SrTiO4) parece un diamante, pero no debe llamarse "diamante artificial" ni otros nombres engañosos. En la "norma nacional" de mi país, las piedras preciosas partidas y las piedras preciosas reconstruidas también se incluyen en los productos fabricados por el hombre.
La historia del desarrollo de las lentes artificiales es también la historia del desarrollo de los minerales sintéticos. Los humanos no solo pueden crear piedras preciosas sintéticas que son iguales a las naturales en el laboratorio, sino que también pueden crear minerales gemas que no se encuentran en la naturaleza. Ya en 1902, el químico francés Verne (Verneuil) inventó el método de fusión por llama para cultivar rubí, que fue el primer logro de las piedras preciosas sintéticas. Sin embargo, durante los siguientes 40 años, el desarrollo de cristales artificiales fue lento. La síntesis hidrotermal de cristales y esmeraldas no apareció hasta los años 1960. Más tarde, con el desarrollo de las industrias electrónica, de comunicaciones y aeroespacial, se sintetizaron y cultivaron una variedad de nuevos materiales cristalinos funcionales, promoviendo aún más el desarrollo de la ciencia y la tecnología del crecimiento de cristales. Los experimentos han demostrado que el desarrollo de algunas tecnologías de alta tecnología está estrechamente relacionado con los materiales cristalinos.
La investigación sobre lentes intraoculares en mi país se inició a mediados de los años cincuenta. Durante los últimos 50 años, la investigación en este campo se ha desarrollado rápidamente desde cero, desde investigaciones de laboratorio esporádicas hasta una industria que ha comenzado a tomar forma. En la actualidad, los cristales sintéticos y los diamantes sintéticos de mi país se han convertido en una industria de alta tecnología, y materiales ópticos no lineales como la circona cúbica, el corindón sintético y otras piedras preciosas y el titanilfosfato de potasio (KTP) han ingresado al mercado internacional. El desarrollo de algunos cristales ha alcanzado el nivel avanzado internacional. Actualmente, los investigadores chinos están realizando exploraciones más amplias y profundas. Ha comenzado la investigación sobre el crecimiento de cristales bajo microgravedad espacial, y los materiales cristalinos de película delgada con efectos cuánticos y estructuras supercristalinas desarrollados a partir de cristales masivos tradicionales están recibiendo cada vez más atención. En definitiva, los logros y desarrollo de los materiales de lentes intraoculares en nuestro país han impulsado la aplicación de la ciencia, la tecnología y los productos artificiales en nuestro país.
2. Bases teóricas del crecimiento de cristales
El crecimiento de cristales es una ciencia interdisciplinar integral. Su desarrollo requirió la cooperación de expertos en física, química, cristalografía, crecimiento de cristales y tecnología de ingeniería. Por lo tanto, aprender sobre el crecimiento de cristales requiere algunos conocimientos relevantes.
La base teórica del crecimiento de los cristales es la termodinámica y cinética del crecimiento de los cristales. Se puede considerar que el crecimiento de cristales es un proceso de controlar el cambio de fase de la materia bajo ciertas condiciones termodinámicas. A través de este proceso, la materia puede alcanzar el estado y las propiedades requeridas. Por lo general, el crecimiento de cristales consiste en cambiar una sustancia de un estado líquido (fundido o solución) a un estado sólido y cristalizar en un solo cristal. Es decir, problemas de equilibrio de fases y transición de fases en termodinámica. Un diagrama de fases (también llamado diagrama de equilibrio de fases) es un diagrama que representa los posibles estados de cada fase en un sistema material a medida que cambian la composición y la temperatura (o presión). Puede mostrar la tendencia general de todo el proceso de crecimiento de los cristales. La Figura 9-1-1 es el diagrama de fase unitaria del agua más simple. En un sistema, todas las fases obedecen la ley de las fases cuando están en equilibrio. La ley de fases es una ecuación que expresa la relación entre el grado de libertad (f) de un sistema de equilibrio multifásico y el número de fase (ф), la fracción componente (c) y el número de condición externa que afecta el equilibrio. La fase (ф) se refiere a la parte homogénea del sistema que tiene límites claros con otras partes. Por ejemplo, a presión atmosférica, el hielo es una fase y el agua es otra. El estado sólido de una misma sustancia pertenece a diferentes fases debido a diferentes estructuras. Por ejemplo, el diamante y el grafito son dos fases con ф=2.
Pero el estado gaseoso es una sola fase, incluso para gases de diferente composición. El componente (c) son elementos y compuestos que pueden variar independientemente en el sistema. Figura 9-1-1. Este sistema consta de agua, hielo y vapor. Un componente de H2O, c=1, se llama sistema unitario. La salmuera es una solución acuosa de NaCl con componente c=2 (NaCl y agua). Los grados de libertad (f) se refieren al número de factores variables (temperatura, presión, composición, etc.). ) en un sistema equilibrado. En la Figura 9-1-1, la temperatura y la presión del área del agua se pueden cambiar arbitrariamente, no se produce vapor de agua ni hielo y el grado de libertad es f=2. Existen dos fases * * * en las tres líneas del diagrama de fases, como vapor de agua y hielo * * * en la línea CA. Debido a que existe una relación correspondiente entre temperatura y presión, el grado de libertad es f=1. En la figura, el agua, el hielo y el vapor de agua en C están en equilibrio, es decir, estas tres fases sólo existen en equilibrio a una determinada temperatura y presión fijas de C. El sistema no tiene factores invariantes y el grado de libertad f =0, que se llama sistema invariante. Las personas pueden elegir condiciones como la temperatura y la presión para hacer crecer cristales según la transición de fase en el diagrama de fases.
Figura 9-1-1 Diagrama de fases del agua
El crecimiento de cristales es un proceso de cambio de fase, pero también es un proceso dinámico. Para obtener cristales perfectos también se deben considerar factores cinéticos de crecimiento, incluida la teoría de la nucleación, la dinámica de la interfaz, los procesos de transporte, etc. Esta es una parte importante del crecimiento de los cristales, pero va más allá de los requisitos del esquema de este libro de texto y no se presentará en detalle aquí.
3. Métodos de crecimiento de cristales
Existen muchos métodos y técnicas para el crecimiento de cristales, que se pueden dividir en dos categorías según el entorno de crecimiento: crecimiento a partir de masa fundida y crecimiento a partir de solución. Además, existen métodos de crecimiento en fase de vapor y métodos de crecimiento en fase sólida.
Los métodos para hacer crecer cristales a partir de masas fundidas tienen una larga historia de investigación. Este tipo de método se refiere a un método en el que las materias primas sin fundente se calientan por encima del punto de fusión, se controlan las condiciones de crecimiento y los cristales se cultivan directamente a partir de la masa fundida. El crecimiento en estado fundido generalmente tiene las ventajas de una velocidad de crecimiento rápida, alta pureza cristalina y buena integridad, pero a menudo requiere temperaturas excesivas y está limitado por materiales refractarios y materiales de crisol. En la actualidad, el proceso y la tecnología de crecimiento de la masa fundida se han desarrollado con bastante madurez. Existen muchas técnicas y procesos para el crecimiento de la masa fundida. Los principales métodos utilizados para el crecimiento de productos artificiales son: método de fusión a la llama, método de crisol frío, método de Czochralski, método de descenso de crisol, etc. Algunos materiales incluyen métodos de alta temperatura y alta presión y métodos de fusión por zonas.
El cultivo de cristales a partir de soluciones tiene una larga historia. El principio básico es disolver la materia prima (soluto) en el disolvente y tomar las medidas adecuadas para sobresaturar la solución para que los cristales puedan crecer en esta solución. Este método puede hacer crecer cristales a temperaturas muy por debajo del punto de fusión. Tiene las ventajas de una baja viscosidad, un fácil crecimiento de cristales en bloques grandes y una morfología relativamente completa. Por lo tanto, este método se ha desarrollado rápidamente. Las desventajas son que hay muchos componentes, los factores que afectan el crecimiento de los cristales son complejos, la tasa de crecimiento es lenta y el ciclo es largo. Hay tres tipos principales de métodos de crecimiento en solución: método de solución a presión normal (método de solución acuosa), método de solución a alta presión (método hidrotermal) y método de solución a alta temperatura (método de fundente o método de sales fundidas). El método de solución a presión normal se utiliza principalmente para la recristalización de cristales solubles a presión normal. Como sal, azúcar y algunos químicos. Generalmente no se usa para el crecimiento de gemas. Los métodos hidrotermales y de flujo son métodos importantes para el cultivo de artefactos y se analizan en detalle a continuación.