14.3: Crisol de Cráneo

El método “cráneo-crisol” o “cráneo-fusión” se utiliza principalmente para crear circonitas cúbicas sintéticas (al menos cuando se trata de sintetizar piedras preciosas).
La parte de “cráneo” se refiere a la corteza delgada (o cráneo) de dióxido de circonio blanco que se forma alrededor del núcleo cristalizado.

Aunque la zirconia (ZrO ₂) se presenta de forma natural, es principalmente monoclínica de naturaleza y se conoce como baddeleyita. La forma cúbica, conocida como “arquelita” ocurre a veces en circón.

Figura\(\PageIndex{1}\): Horno de cráneo-crisol

La síntesis de circonio cúbico planteó dos problemas principales a lo largo del siglo XX. El punto de fusión del dióxido de circonio fue tan alto (2750°C) que ninguno de los crisoles habituales (platino, etc.) pudo soportar ese calor. El otro problema fue que ZrO ₂ tiende a cristalizar como cristales monocínicos en lugar de en el sistema cúbico.
La primera barrera se tomó dejando que el polvo de dióxido de circonio formara su propio crisol (un cráneo) y la segunda mediante la adición de estabilizadores como itria (Y ₂ O ₃) u óxido de calcio (CaO). El porcentaje molar de los estabilizadores varía de 10 a 30% (generalmente 15% para itria y 10% para óxido de calcio).

Para crear las altas temperaturas que se necesitan para fundir el óxido de circonio, se utilizan ondas de radiofrecuencia (RF). Estos tienen una frecuencia de aproximadamente 4MHz con un voltaje entre 50 y 100kW (suficiente para alimentar tu estación de radio favorita). Esta inducción de RF solo funciona en buenos conductores eléctricos y térmicos, no siendo el dióxido de circonio uno de ellos. Esto se resuelve colocando una varilla de metal de circonio en el centro del crisol (que reaccionará y se convertirá en la propia circonita cúbica).

El metal de circonio y el polvo fuente de dióxido de circonio se colocan dentro del crisol (entre los dedos) y el sistema se enciende. Las tuberías de agua proporcionan un flujo de agua fría a los “dedos” de cobre que recubren el crisol, manteniendo los perímetros exteriores del polvo fuente frescos (evitando que se derrita).
Las ondas de radio que pasan a través de la bobina de RF de cobre calientan el metal de circonio que a su vez calienta el polvo circundante. A medida que este polvo se funde se convierte en receptáculo a la inducción de RF y a su vez, funde su polvo circundante. Esto continúa hasta que el polvo que está cerca de los dedos enfriados evita que se derrita.
Los funcionamientos son similares a como funciona un horno microondas de cocina (pero no lo mismo).

Después de la inducción, la masa fundida se baja lentamente de la bobina y se ajusta la energía de la bobina para mantener la masa fundida entre la bobina a aproximadamente 1400°C, durante esta baja lenta (que va de 2 a 30 mm/hora, dependiendo de la composición de la masa fundida) se forman cristales columnares y se alivian de estrés. Con una altura de horno de 200mm, esto toma un promedio de 12 horas. Cuando la masa total, ahora cristalizada, alcanza una temperatura de 98°C, la masa fundida con el “cráneo” circundante se saca del horno y se deja enfriar al aire libre, después de lo cual se parte con un ligero golpecito de martillo.
Una carrera típica necesita 1 kilogramo de polvo y dará 500 gramos de material de gema de circonio cúbico.

Como se mencionó anteriormente, para evitar que la masa fundida cristalice en el sistema monoclínico, se agrega un estabilizador a la masa fundida. Esto puede ser itria u óxido de calcio. Cada uno de estos dos dará ligeras variaciones en las propiedades ópticas y físicas.

Además de los estabilizadores, se pueden agregar otros elementos como dopantes para crear cristales coloreados. Algunos de ellos son: cesio, cromo, hierro, cobalto, neodimio, praseodimio, vanadio, cobre y manganeso.

Referencias

• La patente de 1972 para crear “Fianit” (synth. cubic zirconia) de Lebedev
• Gemología 3ª edición (2005) - Peter Read

• Gemas Sus Fuentes, Descripciones e Identificación 4ª Edición (1990) - Robert Webster (6a ed.)