cristalli naturali e cristalli sintetici

CRISTALLI NATURALI E CRISTALLI SINTETICI
Gran parte delle terre emerse sulla crosta terrestre sono formate da cristalli. Anche se non
è palese, i cristalli sono intorno a noi, giacché tutto ciò che appartiene al mondo minerale,
salvo rarissime eccezioni è cristallino e questo …. rende felici molti mineralogisti.
Se trascuriamo la parte organica dei suoli e alcuni rari " vetri " naturali, come le ossidiane
e le tectiti, tutto il resto che ci circonda è cristallino. I materiali che non appaiono
cristallini ad occhio nudo lo sono a livello microscopico: l'argilla, il limo sono
microcristallini; la sabbia, i ciottoli, le rocce, le montagne sono cristalline; spesso non
sono individuabili ad occhio nudo perchè costituiti da piccoli cristalli mancanti delle facce
esterne naturali e lucenti. Ciò é causato dalla loro formazione in massa che ha fatto
crescere i cristalli con le superfici esterne in contatto reciproco, oppure dall’
arrotondamento dovuto all'abrasione come nei ciottoli e nelle sabbie; però al loro interno
sono individui con una costruzione regolare dello stato solido della materia.
La crescita libera dei cristalli nelle cavità profonde della crosta ha potuto far sviluppare
cristalli come perfetti solidi geometrici, infatti la crescita dei cristalli è governata da ferree
leggi chimico fisiche che ne influenzano le forme secondo una simmetria costante.
Fra i cristalli più noti in antico spicca il quarzo che è piuttosto diffuso ed è stato ritrovato
in quantità non trascurabile. Trasparente e incolore, era denominato cristallo di rocca
perché era (ed é) solitamente reperito nelle parti rocciose dell’alta montagna.
Non è solo la bellezza intrinseca dei cristalli a meravigliare e a produrre nell'uomo una
attrazione particolare per questi corpi "strani". Infatti in passato sono stati sovente
catalogati come oggetti di provenienza extraterrestre e per le loro caratteristiche uniche
erano confinati in uno stadio più evoluto della materia, in una parola gli si attribuivano,
ed anche oggi gli attribuiscono, caratteristiche magiche. Infatti é diffusa fra gli aderenti
della medicina alternativa la pratica di utilizzarli per l'uso scaramantico e curativo con la
cosiddetta "Cristalloterapia".
COSA SONO I CRISTALLI
Un cristallo minerale (anche le sostanze organiche alle volte sono cristalline) viene definito
normalmente come un "corpo naturale inorganico omogeneo e chimicamente definito,
caratterizzato da una ordinata disposizione atomica" (quindi un cristallo é per definizione
composto di materiale puro, ma non sempre lo é).
La definizione (ordinata disposizione atomica) ci ricorda che i cristalli sono solidi
geometrici costituiti da atomi regolarmente disposti e legati da caratteristiche affinità
elettriche e strutturali in modo da formare individui compatti di forma propria.
I solidi geometrici formati dai minerali cristallizzati sono morfologicamente diversi fra di
loro, perchè sono diversi anche i composti che li hanno generati; possiamo così
concludere che i solidi risultanti rispecchiano l'intimo disegno strutturale che lega fra loro
gli atomi del minerale.
Non è solo la composizione chimica, ma anche le condizioni ambientali del mezzo in cui si
forma il cristallo che ne condizionano le caratteristiche. L'esempio più eclatante di questa
affermazione è il carbonio puro, infatti il carbonio secondo l'ambiente di cristallizzazione
può dare due fasi minerali, cioè due tipi di costruzione cristallina: il diamante e la
grafite. La grafite con legami atomici bidimensionali é lamellare, nera, lucente e tenera;
infatti viene usata come lubrificante secco in meccanica, nella tecnologia elettrica, nelle
matite ecc.; si é formata dai resti organici antichi sepolti e completamente trasformati dal
calore in carbonio puro nelle zone superficiali della crosta.
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Il diamante invece è stato formato ad altissima pressione e temperatura esistenti alla
profondità di centinaia (150 - 200) di chilometri nel mantello terrestre, dove le pressioni
sono nell'ordine di 50.000 – 80.000 atm. e con temperature intorno 1800°C. Il risultato
sono dei cristalli trasparenti di una fase durissima del carbonio: il diamante con legami
tridimensionali.
Recenti scoperte affermano che il sollevamento dei diamanti dalla profondità del mantello
alla superficie terrestre è stato un evento unico avvenuto circa un miliardo di anni fa e non
più ripetibile.
Abbiamo rilevato che un cristallo inorganico è un "corpo naturale chimicamente definito
e con una ordinata disposizione atomica" ; oggi questa definizione di naturale non è più
valida perché è stata superata dalla tecnica che ha realizzato la sintesi dei cristalli artificiali
strutturalmente e chimicamente identici ai naturali. Un tempo l'affermazione si adattava
ovviamente ai cristalli creati nei processi naturali di trasformazione geologica della
crosta terrestre.
AMBIENTI GENETICI DEI CRISTALLI
Tutte le sostanze hanno una loro solubilità specifica che varia da sostanza a sostanza,
perciò la composizione chimica, la saturazione della soluzione di un determinato
composto unito alla variazione di temperatura dell'ambiente geologico, determinerà le
condizioni per la formazione dei cristalli.
I tre ambienti genetici che possono formare dei cristalli si possono per comodità
schematizzare in: sedimentario, metamorfico e magmatico, tutti e tre sono accomunati dal
produrre i minerali cristallini con processi che dipendono dalla diminuzione di calore ed
anche dalla interazione fra i diversi composti chimici presenti nella roccia che possono
formare molecole meno solubili e produrre la soprassaturazione di un composto specifico
che si separerà dalla soluzione o dal fuso generando cristalli.
Le dimensioni dei cristalli così formati variano molto in funzione dell'ambiente genetico e
del tempo di crescita, così potremmo trovare dello stesso composto, cristalli giganteschi e
cristalli piccolissimi. Inoltre pur rispettando la stessa simmetria, si avranno cristalli
tozzi e cristalli sottili in funzione dei componenti la fessura mineralizzata e della
velocità di deposizione del soluto. Per esempio sono noti minuti cristalli di quarzo con
rapporto sezione lunghezza di 1:100: quando normalmente nella media il rapporto varia
da 1:2 -1: 5 , esempio di deposizione veloce che ha alimentato l'individuo cristallino
prevalentemente lungo l'asse ottico.
Come esempio di cristalli giganteschi si può citare una famosa grotta messicana che ha
prodotto cristalli di gesso lunghi parecchi metri e pesanti alcune tonnellate.
Anche del quarzo sono noti cristalli giganteschi del peso di alcune di tonnellate ma lo
stesso minerale può anche produrre cristalli piccolissimi di un decimo di millimetro
perfettamente formati.
GENESI DEI CRISTALLI
Un cristallo si sviluppa allorché, per le mutate condizioni chimico-fisiche (calore e
pressione), da una soluzione o da un fuso minerale in equilibrio si separano delle particelle
aventi una composizione molecolare costante che aderiscono ordinatamente ad un germe
(o seme) di cristallizzazione già presente nel sistema.
La loro aggregazione ordinata è dovuta ad affinità chimiche ed elettriche delle molecole e
produce materiale cristallino omogeneo come ripetizione della stessa composizione
iniziale ed ugualmente orientato.
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Il liquido solvente, l'acqua che è presente anche nei sistemi fusi ad alta temperatura, è il
mezzo con cui l'energia in eccesso o in difetto dissolve o ricostruisce il cristallo in funzione
della sua temperatura (a pressione e ambiente chimico costante); in sostanza l'aggiunta di
calore mette in vibrazione le molecole al punto da staccarle dal cristallo e solubilizzarle. Se
invece l'energia è sottratta alla soluzione con il raffreddamento, le molecole perdono
energia, si separano dalla soluzione (che diventa soprassatura) e aderiscono
chimicamente al cristallo che aumenta di volume.
In altre parole: sia l'aumento volumetrico dei cristalli che la loro dissoluzione è una
questione di energia del sistema; nella formazione del cristallo si deposita del materiale in
maniera ordinata perchè è stata sottratta energia alla soluzione chimica o al fuso
(raffreddamento della miscela minerale).
Se invece il mezzo solvente viene riscaldato (somministrando energia) le parti esterne
del cristallo a contatto con il liquido assorbono energia, si mobilizzano e si ridisciolgono;
se vengono di nuovo raffreddate il processo si inverte e le parti del soluto si aggregano
nuovamente sulla superficie cristallina ingrandendola.
Un cristallo, nelle vedute moderne, è costituito da un impilamento infinito tridimensionale di
atomi, legati tra loro in modo specifico secondo le condizioni esistenti nell'ambiente in cui
si forma un dato minerale.
La base di cristallizzazione é la cella elementare, questo piccolissimo insieme di atomi (le
sue dimensioni si aggirano in media sui 3-10 A, cioè 0.3-1 milionesimo di mm), costituisce
il mattoncino dal quale si ottiene l'intero edificio cristallino ed è caratterizzato da forze di
attrazione di tipo elettrostatico formato dal numero più basso possibile di atomi che hanno
le caratteristiche chimico-fisiche di tutto l'edificio cristallino di quel minerale.
La costruzione del cristallo segue più o meno lo stesso modo in cui un muratore costruisce
un muro di mattoni. Dal mucchio, in cui i mattoni sono stati buttati a caso (materiale
incoerente in vibrazione per il calore), il muratore (l'ambiente chimico-fisico specifico che
disperde l'energia che fa agitare le molecole) prende i mattoni uno per volta e li dispone
secondo una sequenza ordinata. Così fa la natura con gli atomi e con le celle elementari,
da uno stato di disordine più o meno completo ( che sia di un gas,un liquido o un fuso)
prende gli atomi, o i gruppi di atomi disposti secondo il loro motivo caratteristico, e li
colloca sopra il germe in modo ordinato, connettendoli con forze di attrazione
elettrostatiche con i legami che questo già presenta, in modo da riempire poco alla volta
tutto lo spazio a disposizione sulla superficie del cristallo. Il processo continua fino a che
c'è del materiale disordinato a disposizione e la temperatura diminuisce, così come il
muratore continua fino a esaurimento del mucchio di mattoni.
A differenza del muratore, però, che può far partire il suo muro da zero, la natura ha
bisogno di un germe cristallino che le suggerisca l'ordine di disposizione e il punto
d'appoggio "del mattone" per far crescere l'intero cristallo. Il germe, a sua volta, deve
formarsi in qualche modo da discontinuità del mezzo, è lo stadio detto di nucleazione che
spesso si forma per agitazione meccanica, presenza di impurezze od altro.
FENOMENI OTTICI DEI CRISTALLI
Due piccole porzioni di cristallo, sia artificiale che naturale, se cristallograficamente
ugualmente orientate, hanno identiche caratteristiche chimico-fisiche.
Ciò significa, ed è bene sottolinearlo, che un corpo cristallino può avere caratteristiche
diverse in direzioni diverse nello stesso cristallo (caratteristiche che i vetri non
possiedono, perché statisticamente non sono orientati ne omogenei).
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I cristalli naturali di nostro interesse sono corpi di forma propria, omogenei nella ripetizione
spaziale del modulo della molecola che compone i cristalli che sono cresciuti liberi nelle
cavità della roccia che li contiene e sono spesso trasparenti alla luce.
La forma geometrica specifica, è bene ribadirlo, deriva dalle caratteristiche dovute alla
loro intima struttura, ed è la sede di particolari fenomeni fisici; infatti un raggio di luce
che li attraversa subisce modifiche sia nel percorso che nella composizione del raggio a
causa delle modificazioni indotte dal reticolo (tali modifiche possono variare nelle diverse
direzioni cristallografiche). Queste modifiche spesso possono essere rilevate anche ad
occhio nudo oppure con semplici strumenti, così: trasparenza, colore, brillantezza,
lucentezza diventano caratteristiche peculiari di un cristallo minerale.
E' nota la proprietà dell'acqua di rifrangere la luce che la attraversa; il classico esempio
noto a tutti è l'angolo formato dalla parte immersa nell'acqua con la parte esterna di un
bastone. Il fenomeno di modificare la direzione quando un raggio di luce passa da un
mezzo all'altro (in questo caso, aria e acqua, ma avviene anche attraverso un vetro e
l'aria) è un fenomeno fisico generalizzato, questo succede anche quando un raggio di
luce entra in un cristallo oppure ne esce.
In più, essendo la luce composta da un insieme di onde luminose diverse, che sommate
formano la luce bianca visibile, quando entrano tutte insieme (come luce bianca) nel
cristallo trasparente subiscono una deviazione, ma ogni onda singola fa un percorso
diverso e subisce una sorte diversa in funzione della composizione chimica del cristallo.
Avviene così che alcune lunghezze d'onda siano assorbite colorando i cristalli in modo
caratteristico, altre sono deviate e separandosi emergono dal cristallo come iridescenza di
vari colori (fenomeno molto appariscente nel diamante tagliato a brillante), altre ancora
viaggiano con velocità diverse nelle diverse direzioni subendo anche fenomeni di
polarizzazione.
Per inciso i cristalli opachi con lucentezza metallica come la pirite, la galena e molti
altri solfuri (come anche i metalli) devono la loro caratteristica opacità all'impossibilità
dei raggi luminosi di penetrare nel reticolo a causa della piccola distanza atomica dei loro
componenti minerali.
Tale distanza è inferiore alla dimensione delle onde della luce visibile, perciò ne viene
impedita la penetrazione; cosa che è invece possibile con raggi più corti (non compresi
nelle lunghezze d'onda del visibile) come per esempio i raggi "X".
ETA' E TEMPO DI FORMAZIONE DEI CRISTALLI E DELLE ROCCE
L'età dei cristalli naturali presenti nelle cavità delle rocce e il loro tempo di crescita sono
stati oggetto delle più avanzate ricerche ottenendo risposte solo per alcuni minerali.
Ad esempio: per la formazione di alcuni cristalli di quarzo delle Alpi è stato calcolato un
tempo di formazione (cioè da quando è iniziata la crescita a quando è terminata) di
duecentomila anni (con margini di errore del 10% o più). Invece dare una età assoluta è
relativamente più semplice facendo riferimento alla datazione delle rocce che li hanno
generati.
Per esempio se avremo rinvenuto i nostri cristalli in rocce situate intorno al massiccio del
monte Bianco, l'età sarà "solo" di alcune decine di milioni di anni, perchè generati durante
l'orogenesi alpino-himalaiana; se invece i cristalli sono stati rinvenuti nei monti Urali,
l'età salirà ad oltre 230 milioni di anni, che è l'età attribuita alla catena sollevatasi
durante l'orogenesi ercinica. Però esistono rocce ancora più antiche. Perciò, pensando
agli eventi possibili in questo lasso di tempo, quando osserviamo un cristallo ben formato
e intatto, osserviamo veramente un miracolo della natura.
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CRISTALLI UN PO’ DI STORIA
Tradizionalmente i cristalli hanno avuto una funzione essenzialmente decorativa. L'uomo
preistorico amava adornarsi con cristalli di belle forme e di bei colori e li raccoglieva nelle
sabbie dei fiumi, o direttamente nelle fessure delle rocce. Abbiamo infatti tombe neolitiche
in cui sono conservati tanto i cristalli probabilmente raccolti direttamente nelle cavità delle
rocce ed altri con gli spigoli arrotondati e abrasi, segno indubbio di lungo rotolamento in
acque fluviali e torrentizie.
L'uso dei cristalli così come venivano trovati è continuato per tutto il Medio Evo: ancora nel
1300 il cosiddetto “Rubino del Principe Nero”, in verità un grossissimo spinello rosso che
fa parte tuttora del tesoro della Corona inglese, fu incastonato senza essere stato toccato
in nessuna delle sue faccette, anche se è di forma irregolare e con facce un po' distorte.
Invece quasi tutti i cristalli usati attualmente in gioielleria sono lavorati o, come si dice in
termine tecnico, tagliati in forme geometriche in modo da aumentarne la brillantezza,
migliorarne il colore e l'aspetto estetico.
L'uso dei cristalli naturali però, pur non diminuendo nel tempo, é rimasto per tempi
lunghissimi sostanzialmente limitato alla gioielleria che usa corpi rari e preziosi. E’ invece
cresciuta a dismisura, soprattutto nell'ultimo ventennio, la sintesi e l'utilizzazione dei
cristalli artificiali in applicazioni tecniche che ne valorizzano le proprietà fisiche.
L'interesse per i cristalli si perde nella notte dei tempi, abbiamo accennato ai primi cristalli
usati come monili che sono stati trovati in depositi del Paleolitico superiore, circa 30 mila
anni fa e l'umanità ha continuato per millenni a ricercarli solo per la loro bellezza, anche se
non mancano in epoca storica antica, osservazioni curiose sulla loro strana forma e
l'ineguagliata lucentezze delle superfici .
Il loro studio da un punto di vista scientifico é però cominciato solo in tempi relativamente
recenti a partire dal Seicento.
È infatti nel 1611 che appare il primo studio sulla forma dei cristalli dei fiocchi di neve ed è
dovuto a uno dei grandi padri della scienza, Keplero (1571-1630), meglio noto per le sue
leggi sul moto dei pianeti.
Da allora l'osservazione attenta dei cristalli naturali, ripetuta e verificata secondo il metodo
sperimentale indicato da Galileo, ha cominciato a produrre i suoi risultati. Se Keplero è il
precursore, il vero padre della cristallografia è Nicola Stenone (1638-1686), che ne ha
enunciato la prima legge, introducendo anche il concetto di stratigrafia dei suoli, ed
avendo così buon diritto guadagnato un posto fra i padri fondatori della geologia.
Da allora la cristallografia ha continuato a evolversi, ma é stata caratterizzata da periodi di
studi vitali e importanti, intervallati da interruzioni e abbandoni.
La storia dello studio dei cristalli é avanzata infatti a cicli.
Il primo ciclo va dal 1783, quando Jean Baptiste Romè de l' Isle (1736-1790) riscoprì la
legge di Stenone, dimenticata per oltre un secolo e ne cominciò la verifica sistematica
morfologica su un gran numero di cristalli di tante specie diverse, e proseguendola fino al
1830, quando Johann Friedrich Christan Hessel (1796-1872) diede formulazione
matematica completa alle numerose osservazioni fatte nel cinquantennio precedente.
È in questo periodo che nasce e si sviluppa una nuova disciplina: la cristallografia
morfologica, lo studio cioè dei cristalli come corpi solidi geometrici limitati da superfici
piane.
Dopo una ulteriore stasi di un ventennio, nel quale però erano andati ad accumularsi dati
ripetitivi su migliaia e migliaia di cristalli, la cristallografia, nel 1848 inizia un nuovo periodo
di studi che si conclude nel 1894.
È la nuova fase della cristallografia strutturale teorica, il cui iniziatore è Auguste Bravais
(1811-1863). Questi partendo dal presupposto, all'epoca assolutamente teorico e non
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verificabile, che i solidi siano costituiti da particelle elementari indivisibili (come gli atomi),
disposti secondo ripetizioni tridimensionali ordinate e regolate da rigide leggi di simmetria,
avviò una ricerca che lo portò successivamente alla formulazione teorica della morfologia
dei cristalli trovati effettivamente in solidi naturali e artificiali.
Nella seconda metà dell'Ottocento la cristallografia morfologica subisce una accelerazione
senza precedenti ed iniziano gli studi per scoprire dalla forma esterna la composizione
chimica dei minerali e dei loro cristalli, cioè l’appartenenza ad una identità minerale .
Sono anche nel contempo studiate le condizioni chimico fisiche di formazione dei cristalli.
A cavallo del secolo gli studi hanno una accelerazione sia teorica che pratica per merito di
Giorgio Spezia dell'Università di Torino che alla fine del secolo scopre l'influenza della
pressione necessaria per ottenere la sintesi artificiale del quarzo, sono infatti del 1904 le
pubblicazioni accademiche dell'avvenuta sintesi.
Nel 1912 per merito di Max von Laue (1879-1960), nasce la cristallografia strutturale con
la scoperta della diffrazione dei raggi X. Questa scoperta ha dato anche un mezzo per
identificare i singoli atomi nelle loro posizioni reticolari caratteristiche. Cessano a questo
punto gli studi cristallochimici e si approfondiscono gli studi di cristallografia strutturale.
STORIA DELLA SINTESI E DELL'USO DEI CRISTALLI DI QUARZO
E' durante il conflitto della seconda guerra mondiale che vengono ripresi gli studi per la
sintesi dei cristalli di quarzo perché la produzione di oscillatori al quarzo necessari per la
tecnologia militare dei: sonar dei sottomarini, dei sistemi radio e dei sistemi di puntamento
dei cannoni, è legata alla tecnologia del quarzo, che era insufficiente per la piccola
quantità di cristalli naturali adatti.
Nella Germania nazista gli studi sono avviati da Wilhelm Nackenche che perfezionando il
metodo Spezia condussero alla produzione sintetica dei cristalli per l’utilizzo del fenomeno
piezoelettrico. Anche negli Stati Uniti si ripresero gli studi dalle pubblicazioni dello Spezia
per la sintesi dei cristalli di quarzo per lo stesso motivo.
Il quarzo cristalli nel periodo divenne materiale strategico, (in Val Malenco la miniera del
"Dosso dei Cristalli"era piantonata dai militari tedeschi). Anche gli Americani nonostante
l'enorme produzione di quarzo cristallino del Brasile (alleato degli USA), ebbero difficoltà
perché la quantità di cristalli adatti era minima a causa dei numerosi difetti naturali. Inoltre
per i controlli di efficienza se ne distruggevano molti, per cui molti semilavorati erano
eliminati sia per difetti strutturali sia per prove distruttive.
Anche gli americani per questi motivi iniziarono la produzione in grande scala del quarzo,
infatti la produzione artificiale permette di controllare la crescita dei cristalli agendo,
nell’uso di reagenti chimici estremamente puri, e operando in autoclavi accuratamente
costruite per evitare le geminazioni del cristallo che sono negative alle caratteristiche
piezoelettriche delle lamine cristalline.
Per la temperatura ottimale di lavoro della sintesi, con alta qualità dei cristalli, si mantiene
la temperatura dell'autoclave di crescita tra i 350°C e i 415°C.
Queste condizioni modeste di pressione e temperatura sono però causa d’aumento dei
tempi di crescita dei cristalli, che sono nell'ordine di 0.1- 0.3 mm/giorno. Per dei grandi
cristalli può essere necessario anche un anno di crescita nelle autoclavi!.
Oggi la produzione sintetica ammonta a molte tonnellate con una metodica pressoché
perfetta, in impianti industriali delle società tecnologicamente avanzate, principalmente da
russi, giapponesi, cinesi e americani, fornendo le migliaia di tonnellate di quarzo che
servono ogni anno per i computer, i raddrizzatori elettrici, i trasduttori di pressione, per gli
oscillatori da orologio, per gli accendini piezoelettrici, ecc., ecc.
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CRISTALLI SINTETICI PER GEMMOLOGIA E USI TECNICI
I cristalli artificiali sono costruiti sia con metodi che riproducono le condizioni naturali,
come la sintesi idrotermale, sia utilizzando tecniche che se ne discostano completamente
come la fusione con fondente o con il metodo Verneuil o altri metodi. L'odierna completa
conoscenza della struttura dei cristalli minerali per l'utilizzo industriale e la grande richiesta
determinata dalle moderne tecnologie ne ha imposto una sintesi annua di molte tonnellate
a causa della rarità dei cristalli naturali adatti. Infatti oltre alle aziende orafe che utilizzano
smeraldi, zaffiri, rubini, ametiste (anche sintetici) i cristalli fabbricati il laboratorio sono
impiegati in molti altri campi tecnici.
Cristalli sintetici di minerali di qualità gemma sono stati fabbricati a partire dalla fine del
1800, la ricerca e la conseguente produzione è stata spesso incentivata da necessità
tecnologiche per le loro caratteristiche come la durezza, per utilizzarli in applicazioni
industriali piuttosto che per l'uso nel settore della gioielleria. Il primo sistema che ha avuto
successo è stato l metodo Verneuil per la produzione di rubino sintetico monocristallino,
adatto anche ad essere sfaccettato come gemma. I cristalli sintetici oggi sono utilizzati nei
settori più avanzati delle tecnologie industriali ad esempio: nelle comunicazioni, nella
tecnologia laser, nella microelettronica, nella lavorazione dei metalli ed anche come
abrasivi.
I cristalli sintetici da usare in gioielleria possono essere creati con caratteristiche uguali
alle gemme naturali ma i metodi impiegati possono essere diversi. Negli ultimi dieci anni in
questo settore si é verificata una vera rivoluzione, sono stati messi a punto tecniche
raffinate per ottenere quasi tutte le gemme più importanti, la maggior parte di questi
metodi rientrano in due categorie principali: un metodo che utilizza la fusione dei
componenti ed un’altro che ne utilizza la soluzione, un discorso particolare deve essere
fatto per il diamante.
Nei processi a fusione, la composizione chimica del fuso ha la stessa composizione del
cristallo risultante finale. Nei processi con soluzioni, il cristallo finale ha una composizione
chimica differente da quella dei componenti iniziali, in questo caso i costituenti del cristallo
sono disciolti nel mezzo per soluzione o per fusione ad alta temperatura per far si che per
raffreddamento e il cristallo si depositi su un cristallo-seme quando la temperatura del
sistema si abbassa. Alcuni dei principali processi sintetici includono:
FUSIONE ALLA FIAMMA O PROCESSO VERNEUIL
Le prime gemme sintetiche che ottennero un successo commerciale sono state create con
il processo di fusione alla fiamma. Questo sistema consiste nel far cadere ad intervalli
regolari una polvere di allumina (ossido di alluminio con tracce di cromo) attraverso una
fiamma ad alta temperatura, la polvere fonde e cade su un supporto rotante che
lentamente strato dopo strato formerà un cristallo sintetico di rubino. Questo é ancora oggi
il metodo più economico per ottenere il corindone e lo spinello sintetico.
FUSIONE CON IL METODO CZOCHRALSKI
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Questo metodo venne scoperto agli inizi del 1900. In questo processo, i nutrienti vengono
fusi in un crogiuolo e il cristallo sintetico fatto crescere da un seme monocristallino fissato
su un sostegno che è immerso nella massa fusa e poi lentamente allontanato dal fuso, la
parte del fuso aderente al seme si raffredda e cristallizza intorno al seme che aumenta
così di volume come un unico cristallo .
Le gemme sintetizzate con questo metodo comprendono: alessandrite, crisoberillo,
corindone, e granati, oltre al cristallo più importante della tecnologia moderna: il silicio
metallico.
CRESCITA CON METODO DEL FONDENTE
Oggi alcune gemme sintetiche, come: smeraldo, rubino, zaffiro, alessandrite e spinello
possono essere create attraverso un processo di crescita in un fondente. Il fondente è un
materiale solido che quando viene riscaldato e fuso porta in soluzione altri materiali che
possono essere delle gemme naturali stesse in frammenti, oppure gemme di scarsa
qualità. Quando la massa fusa viene raffreddata il materiale introdotto nel fondente si
separa per scarsa solubilità cristallizzando e gradualmente si accresce formando dei
monocristalli che spesso sono migliorati nel colore e nelle dimensioni.
Far crescere una gemma sintetica con questo metodo richiede molta pazienza perché la
formazione del cristallo può richiedere fino a un anno e l'attrezzatura è molto costosa, ma
i risultati, soprattutto quando si tratta degli smeraldi, compensano il tempo e lo sforzo
economico.
CRESCITA IDROTERMALE
Il processo di crescita idrotermale è anch'esso lento, ma è l'unico metodo per ottenete
alcuni cristalli molto simili ai naturali; per esempio tale sistema è l’unico che permette di
ottenere il quarzo sintetico cristallino, infatti il quarzo monocristallo per formarsi richiede
sempre la presenza dell'acqua. Questo processo richiede riscaldamento unito coll’alta
pressione. Per poter superare la temperatura dell’ebollizione dell’acqua viene utilizzato
un’autoclave, in sostanza si imitano le condizioni geologiche che esistono nelle profondità
della crosta terrestre quando si formano dei cristalli naturali nelle cavità per circolazione di
fluidi idrotermali ad alte pressioni. Il quarzo é sintetizzato in autoclave alla temperatura di
circa 400 °C, il nutriente é il quarzo stesso in frammenti cristallini che vengono disciolti
lentamente da una soluzione acquosa alcalina che serve anche a far crescere il cristallo. I
frammenti sono posti in basso nella parte calda dell'autoclave dove sono solubilizzati dalla
soluzione alcalina calda.
Per effetto convettivo la soluzione calda ricca di silicio (che si é sciolto col calore) sale
nella zona di crescita dei cristalli dove la temperatura é tenuta inferiore di circa 40°C, e
raffreddandosi lambisce i semi di quarzo introdotti su cui deposita del materiale cristallino.
Mentre si raffredda la soluzione ridiscende nella zona inferiore dove si scalda nuovamente
e si arricchisce di silicio; il ciclo è ripetuto per giorni, fino alla formazione dei cristalli
sintetici di quarzo di dimensione opportuna.
Con lo stesso sistema si possono anche trattare cristalli di smeraldo posti come seme da
ingrandire al fine di depositare sul seme materiale dal colore più acceso.
DIAMANTE SINTETICO MONO O POLICRISTALLINO
Il diamante sintetico o “diamante LAB” viene generalmente fabbricato con alta pressione
ed alta temperatura per analogia alle condizioni in cui si forma il diamante naturale.
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Tuttavia è anche possibile ottenere film di diamante di alta qualità per deposizione
chimica da fase vapore utilizzando una miscela di gas formati da carbonio e idrogeno.
Il carbonio che normalmente si presenta come minerale grafite è una fase del carbonio
stabile a temperatura e pressione presente nella crosta terrestre superficiale. A
temperature e pressioni elevatissime che esistono nelle profondità della crosta a oltre 200
chilometri il carbonio si trasforma in fase diamante. Il diamante artificiale viene
generalmente sintetizzato dalla grafite sottoponendola ad altissima pressione e ad alta
temperatura, ricreando cioè le analoghe condizioni in cui si forma il diamante naturale
nella profondità del mantello terrestre con la tecnica detta HPHT (alta pressione alta
temperatura). E’ però possibile ottenere del diamante cristallino per deposizione chimica
con la tecnica CVD (deposizione chimica vapore) a temperatura e pressione minore
TECNICA HPHT
La tecnica HPHT è usata per ottenere diamante sintetico monocristallino
sia di piccole dimensioni ad uso industriale che di dimensione adatte ad ottenere delle
gemme ornamentali; si differenziano soprattutto dai tempi necessari ad ottenere il risultato
richiesto. Ambedue sono ottenute creando una piccola cella con grafite e metalli in polvere
contenuti in una cella di materiale refrattario.
La cella di crescita del diamante monocristallino di grandi dimensioni ottenuto per HPHT
è fatta a più strati con materiali contenenti tutti gli elementi necessari per la crescita di un
monocristallo: grafite, metalli e catalizzatori, compreso un piccolissimo diamante puro
mono cristallino che funzionerà da seme. La grafite utilizzata deve essere altamente
raffinata e purissima per ottenere cristalli incolori adatti per ornamento.
Il solvente del carbonio e il catalizzatore é costituito da una miscela di metalli e ossidi in
polvere. La crescita cristallina del diamante è ottenuta posizionando gli ingredienti in un
contenitore refrattario costruito con minerali di alluminati, chiamato cella di crescita, posta
al centro di uno stampo complesso realizzato in acciaio che preme su “incudini di carburo
di tungsteno componibili di forma tale da permettere di sviluppare l’enorme pressione e
l’alta temperatura necessaria al processo di cristallizzazione.
La cella di crescita cilindrica posta nel contenitore refrattario subisce un riscaldamento
differenziato alle due estremità. Dove è presente il cristallo-seme di diamante si mantiene
una temperatura leggermente minore; così facendo gli atomi di carbonio sciolti nella
miscela metallica fusa migrano dalla parte a temperatura maggiore verso quella a
temperatura minore depositandosi sul germe cristallino di diamante in crescita. Il
processo richiede alcuni giorni.
La pressione necessaria alla formazione della fase diamante nella macchina HPHT é di
circa 50-60.000 atmosfere alla temperatura di 1500 - 2000° C.
I catalizzatori e i metalli che funzioneranno da solventi del carbonio sono i primi a reagire
al calore e alla pressione cambiando di fase: da solidi diventano liquidi provocando la
solubilizzazione della grafite maggiormente solubile rispetto al seme cristallino di
diamante introdotto.
Una volta che sono state soddisfatte tutte le condizioni richieste all'interno della cella di
crescita, inizia il processo di raffreddamento controllato che si svolge nell'arco di molti
giorni e permette agli atomi di carbonio sciolti nel metallo fuso di depositarsi sul cristallo
seme come diamante.
La cella refrattaria contenente il materiale cristallino ottenuto viene rimossa dopo
raffreddamento degli stampi della pressa.
Dopo aver fratturato la cella in materiale refrattario e allontanato le scorie, i metalli e gli
ossidi che hanno formato una crosta intorno al nuovo diamante sono sciolti in acido nitrico
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e il nuovo diamante grezzo (solitamente si tratta di cristalli grezzi di 3 – 5 carati) è
sottoposta al taglio, alla sfaccettatura e alla lucidatura finale.
Per la sintesi dei diamanti di piccole dimensioni richiesti dal settore abrasivi che non
richiedono diamanti purissimi, la tecnica è ovviamente sempre HPHT con analoghi principi
di funzionamento, ma il processo si svolge in tempi ridottissimi, circa sei minuti per ciclo. In
sostanza si carica della grafite (non è necessario che sia purissima) con polvere di ferro e
manganese e si sottopone a pressione e riscaldamento ad induzione, una volta fatta
fondere la miscela si lascia raffreddare il massello di metallo ottenuto contenente i
diamanti in cristalli cobottaedrici di uno due millimetri di diametro. Il metallo viene sciolto in
acido per ricuperare il diamante sintetizzato. Ogni ciclo produce in media 30 Gr. di
diamante.
TECNICA CVD
Per la tecnica CVD si utilizza invece una miscela gassosa contenente carbonio e idrogeno
iperpuri vale a dire metano e idrogeno (CH4 e H2), riscaldati in una cella. Si opera
usando una miscela dei gas in proporzione di 1:10 sottoposta a riscaldamento di
ottocento gradi per mezzo di microonde che ne trasformano anche il gas metano in
plasma, vale a dire che anche gli atomi di idrogeno che abbandonano le molecole del
metano liberando il carbonio vengono ionizzati. Gli atomi di carbonio ionizzati tendono
perciò a depositarsi sulle delle sottili lamine di diamante precedentemente preparate e
mantenute in una zona a temperatura inferiore della cella del plasma. Queste lamine
funzionano da semi di crescita e aumentano man mano di spessore fino ad ottenere in
una decina di giorni un blocco di diamante monocristallino adatto al taglio per ottenere
delle gemme oppure manufatti del peso di alcuni carati. E’ da rilevare che il cuore della
tecnologia consiste nell’avere nella miscela riscaldata un eccesso di idrogeno ionizzato
che aggredisce e volatilizza l’eventuale grafite che si forma depositandosi sui semi; ciò é
dovuto alla maggiore affinità dell’idrogeno per la fase grafite rispetto alla fase diamante
che può così aumentare di spessore per deposito successivo del carbonio sui semi come
fase diamante.
Il manufatto cristallino si presenta come una piastrina di 10 – 15 mm con spessore di circa
8 - 10 mm, di colore ialino a volte colorato con impurezze.
Per ottenere manufatti in diamante di grandi dimensioni per uso tecnico impossibili da
ottenere come monocristallo si può ricorrere al diamante policristallino, questi manufatti
sono spesso costituiti da dischi di alcuni centimetri necessari per le tecnologie laser,
nucleari ecc. possibili solo con le caratteristiche uniche del diamante: durezza,
trasparenza alle radiazioni, conducibilità termica ecc.
In questo caso si fa depositare, sempre con la stessa tecnica CVD uno strato opportuno
di diamante policristallino su superfici costituite da silicio metallico , carburo di silicio ecc.
strato che poi viene asportata per abrasione con la lucidatura finale del manufatto in
diamante.
INFLUENZA DELLE IMPUREZZE SULLA COLORAZIONE DEL DIAMANTE
Ai primordi della sintesi del diamante realizzata dalla General Electric o GE negli anni
Cinquanta, i cristalli ottenuti principalmente come abrasivo industriale usavano come
mezzo solvente della grafite una miscela di ferro (Fe) e nichel (Ni) ma non ci si
preoccupava che fossero particolarmente puri per ottenere cristalli incolori. Infatti i cristalli
così ottenuti erano di un bel colore giallo-verde Con il tempo ci si accorse che la
composizione esatta e la purezza dei metalli solventi influenzava fortemente la qualità del
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diamante sintetico. Ad esempio si è visto che piccole percentuali di alluminio oppure di
titanio rimuovevano l’azoto dal diamante sintetico che provocava il colore giallo-verde,
ottenendo la crescita di un diamante incolore preziosissimo in gioielleria. Inoltre che
l’aggiunta di boro faceva cristallizzare un diamante blu. Altri materiali permettono di
ottenere anche pietre rosse o rosa. Oggi si costruiscono diamanti colorati in pochi giorni;
pietre che un tempo erano rarissime e introvabili.
Una crescita lenta, ben controllata permette la crescita di diamanti di alta qualità libera di
inclusioni (carboni).
Abbiamo visto che sono necessari solo pochi minuti per convertire la grafite in diamanti di
piccole dimensioni, invece per cristallizzare una pietra grezza di qualità gemma di quattro
cinque carati ci vogliono in media 100 ore.
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