Zircônia cúbica

Brilhante redondo de zircônia cúbica

Zircônia Cúbica (CZ) dióxido de zircónio (ZrO₂) é uma gema produzida em laboratório como imitação do diamante. Encontra-se zircônia na natureza, mas cristalizada no sistema monoclínico, não cúbico, constituindo o mineral chamado baddeleyíta.

A zircônia cúbica é dura, com dispersão maior que a do diamante e geralmente incolor, mas pode ser produzida numa grande variedade de cores. Não deve ser confundida com zircão, silicato de zircónio (ZrSiO₄).

Devido ao seu baixo custo, durabilidade e semelhança visual ao diamante; a zircônia cúbica tem sido a imitação de diamante gemológica economicamente mais importante desde 1976. Seu principal concorrente, como gema sintética, é o mais recente material cultivado, a moissanita.

Aspectos técnicos

A Zircônia cúbica é cristalograficamente isométrico, um atributo importante de um simulador de diamante em potencial. Durante a síntese, o óxido de zircônio formaria naturalmente monoclínico cristal s, sua forma estável sob condições atmosféricas normais. Um estabilizador é necessário para formar cristais cúbicos e permanecer estável a temperaturas normais; isso pode ser tipicamente óxido de ítrio ou cálcio, a quantidade de estabilizante usada dependendo das muitas receitas de fabricantes individuais. Portanto, as propriedades físicas e ópticas da CZ sintetizada variam, sendo todos os valores.

É uma substância densa, com gravidade específica entre 5,6-6,0. A zircônia cúbica é relativamente dura, com cerca de 8,5 na escala de dureza de Mohs - nada perto do diamante, mas muito mais dura do que a maioria das gemas naturais[1]. Seu índice de refração é alto em 2.15-2.18 (intervalo B-G) e seu lustro é subadamantino. Sua dispersão é muito alta em 0,058-0,066, excedendo a do diamante (0,044). A zircônia cúbica não tem clivagem e exibe uma fratura conchoidal. É considerado frágil.

Sob onda curta UV zircônia cúbica tipicamente luminesces um amarelo, amarelo esverdeado ou "bege". Sob UV de ondas longas, o efeito é grandemente diminuído, com algumas vezes um brilho esbranquiçado sendo visto. Pedras coloridas podem apresentar uma forte e complexa terras raras espectro de absorção.

História

Desde 1892, o mineral monoclínico baddeleyite amarelado era a única forma natural de óxido de zircônio conhecida. Sendo de rara ocorrência teve pouca importância econômica.[2]

O ponto de fusão extremamente alto da zircônia (2750°C) representou um obstáculo ao crescimento controlado de um único cristal, já que nenhum cadinho poderia mantê-lo em seu estado fundido. No entanto, a estabilização do óxido de zircônio foi realizada no início, com o produto sintético "zircônia estabilizada" introduzido em 1930. Embora cúbico, ele estava na forma de uma policristalina cerâmica: ela foi feita uso de material [refratário], altamente resistente a ataques químicos e térmicos (até 2540°C).[3][4]

Sete anos depois, mineralogistas alemães M. V. Stackelberg e K. Chudoba descobriu a zircônia cúbica natural na forma de grãos microscópicos incluídos no zircão metamict. Pensado para ser um subproduto do processo de metamictização, os dois cientistas não acharam o mineral importante o suficiente para nomear formalmente. A descoberta foi confirmada por difração de raios X, provando que existe uma contrapartida natural ao produto sintético.

Tal como acontece com a maioria das imitações de diamante, o nascimento conceitual da zircônia cúbica de cristal único começou nas mentes dos cientistas que buscavam um material novo e versátil para uso em lasers e outras aplicações ópticas. Sua evolução eclipsaria os sintéticos anteriores, como sintético titanato de estrôncio, sintético rutilo, YAG (Ítrio Alumínio Garnet) e GGG (Gadolínio Gálio Garnet).

Algumas das primeiras pesquisas sobre crescimento controlado de cristal único de zircônia cúbica ocorreram na década de 1960 França, muito trabalho sendo feito por Y. Roulin e R. Collongues. A técnica desenvolvida viu a zircônia derretida contida em si mesma com o crescimento de cristais do fundido: o processo recebeu o nome de "cadinho frio", uma alusão ao sistema de resfriamento a água usado. Embora promissoras, essas atividades renderam apenas pequenos cristais.

Mais tarde, cientistas soviéticos sob V. V. Osiko no Lebedev Physical Institute em Moscou aperfeiçoou a técnica, que foi então chamada de cadinho craniano (uma alusão à forma do recipiente refrigerado a água ou à forma ocasional de cristais crescidos). Eles nomearam a jóia de Fianit, mas o nome não foi usado fora da USSR. Seu avanço foi publicado em 1973 e a produção comercial começou em 1976[5]. Em 1980, a produção global anual havia alcançado 50 milhões de quilates (10.000 kg).

Síntese

Monitoramento do trabalhador derretendo óxido de zircônio e óxido de ítrio em um "cadinho frio" aquecido por indução para criar zircônia cúbica.

Atualmente, o principal método de síntese de zircônia cúbica empregado pelos produtores continua sendo através do método de derretimento do crânio. Este método foi patenteado por Josep F. Wenckus e colaboradores (1997). Isto deve-se em grande parte ao processo que permite atingir temperaturas superiores a 3000 graus, falta de contacto entre o cadinho e o material, bem como a liberdade de escolher qualquer atmosfera de gás. Desvantagens primárias para este método incluem a incapacidade de prever o tamanho dos cristais produzidos e é impossível controlar o processo de cristalização através de mudanças de temperatura.[6][7]

O aparelho utilizado neste processo consiste de um cadinho em forma de taça rodeado por bobinas de cobre ativadas por radiofrequência (RF) e um sistema de refrigeração líquida.[6][8]

O cadinho de crânio aperfeiçoado soviético ainda é usado hoje, com pouca variação. Canos de cobre cheios de água fornecem um suporte em forma de taça no qual o pó de alimentação de zircônia é embalado, toda a engenhoca sendo envolvida com indução de radiofrequência bobinas funcionando perpendicularmente aos tubos de cobre. Um estabilizador é misturado com o pó de alimentação, sendo tipicamente ítria ou óxido de cálcio.

As bobinas de indução de RF funcionam de maneira semelhante a um microondas. Este método de aquecimento requer a introdução de uma peça sólida de metal de zircônio como catalisador: O metal é derretido pelas bobinas de RF e aquece o pó de zircônia circundante do centro para fora. Os canos cheios de água de resfriamento que envolvem a superfície externa mantêm uma fina "pele" (1 mm) de alimentação não derretida, criando um aparato autônomo. Após várias horas, o calor é reduzido de forma controlada e gradual, resultando na formação de cristais colunares sem falhas. Prolongado recozimento em c. 1400 ° C é então realizado para remover qualquer tensão. Os cristais recozidos, que normalmente têm 5 cm de comprimento por 2,5 cm de largura (embora possam ser crescidos muito maiores), são então cortados em pedras preciosas.[6][7]

Doping

Por causa da capacidade isomórfica da zircônia cúbica, ela pode ser dopada com vários elementos para mudar a cor do cristal. Uma lista de dopantes e cores específicos produzidos por sua adição pode ser vista abaixo. Por exemplo:

Dopante[7][8]	Símbolo	Cores
Cério	Ce	amarelo, laranja, vermelho
Cromo	Cr	verde
Cobalto	Co	lilás-violeta-azul
Cobre	Cu	amarelo-aqua
Érbio	Er	rosa
Európio	Eu	rosa
Ferro	Fe	amarelo
Hólmio	Ho	champanhe
Manganês	Mn	marrom-violeta
Neodímio	Nd	roxo
Níquel	Ni	amarelo-marrom
Praseodímio	Pr	âmbar
Túlio	Tm	amarelo-marrom
Titânio	Ti	marrom dourado
Vanádio	V	verde

Gama de cores[7][8]	Dopante usado
amarelo, laranja, vermelho	${\displaystyle {\ce {CeO2}}}$, ${\displaystyle {\ce {Ce2O3}}}$
amarelo-âmbar-marrom	${\displaystyle {\ce {CuO, Fe2O3, NiO, Pr2O3, TiO2}}}$
rosa	${\displaystyle {\ce {Er2O3, Eu2O3, Ho2O3}}}$
verde-oliva	${\displaystyle {\ce {Cr2O3, Tm2O3, V2O3}}}$
lilás-violeta	${\displaystyle {\ce {Co2O3, MnO2, Nd2O3}}}$

• 
  Zircônia cúbica roxa com corte xadrez
• 
  Zircônia cúbica multicolorida
• 
  Gemas de três tons de zircônia cúbica

Inovações

Nos últimos anos, os fabricantes procuraram maneiras de distinguir seu produto supostamente "melhorando" a zircônia cúbica. Revestir CZs acabados em um filme de carbono tipo diamante (DLC) é uma dessas inovações, um processo que usa deposição de vapor. O material resultante é supostamente mais duro, mais lustroso e mais parecido com o diamante em geral: O revestimento é pensado para extinguir o excesso de fogo da CZ, alinhando-o com o diamante.

Outra técnica aplicada inicialmente a quartzo e topázio também foi adaptada à zircônia cúbica: a pulverização a vácuo de uma camada extremamente fina de óxido metálico (tipicamente ouro) nas pedras acabadas cria um iridescente efeito. Este material é comercializado como "Místico" por muitos revendedores. Ao contrário do DLC, o efeito surreal não é permanente, pois a abrasão remove facilmente a camada de óxido.

CZ versus diamante

A zircônia cúbica é tão ostensivamente perto do diamante que apenas um olho treinado pode facilmente diferenciá-los. Existem algumas características-chave da CZ que claramente a distinguem do diamante, algumas observáveis apenas sob o microscópio ou lupa. Por exemplo:

• Dispersão. O fogo superlativo da CZ faz uma exibição um tanto espalhafatosa o suficiente para o olho treinado medir.

• Dureza. A dureza inferior de CZ (8,5 vs. 10 de diamante) manifesta-se no brilho mais baixo da gema, bordas facetadas arredondadas e arranhões superficiais.

• Gravidade específica. CZs são pesos pesados em comparação aos diamantes; uma CZ pesará cerca de 1,7 vezes mais que um diamante de tamanho equivalente. Obviamente, essa diferença só é útil ao examinar pedras soltas.

• Falhas. A produção contemporânea de zircônia cúbica é praticamente impecável: a maioria dos diamantes tem algum tipo de marca de nascença, seja uma pena, cristal incluído ou talvez um remanescente de uma face de cristal original (por exemplo, trigons).

• Corte. As CZs são geralmente cortadas e polidas em padrões menores que o diamante; embora não seja aparente aos olhos, uma lupa é suficiente para revelar as facetas da maioria das CZs.

• Cor. Mais precisamente, a falta de cor: apenas os mais raros dos diamantes são verdadeiramente incolores, a maioria com um toque amarelo ou marrom em certa medida. Em comparação, o CZ pode ser feito totalmente incolor: equivalente a um "D" perfeito na escala de classificação de cores do diamante. Além disso, as cores extravagantes da CZ não se aproximam dos tons de diamantes extravagantes.

• Condutividade térmica. Esta é provavelmente a propriedade mais importante do diamante do ponto de vista de um joalheiro: tudo o que ela precisa fazer é aplicar a ponta de uma "sonda térmica" a um diamante suspeito. Os CZs são isolantes térmicos, enquanto os diamantes estão entre os condutores térmicos mais eficientes, excedendo o cobre.

Leitura adicional

• Gems Made by Man by Kurt Nassau, 1980. (ISBN 0-8733-016-1)

Referências

1. «Mohs' Hardness of Abrasives». Consultado em 6 de junho de 2009. Arquivado do original em 17 de outubro de 2009 
2. Bayanova, T.B. (2006). «Baddeleyite: A promising geochronometer for alkaline and basic magmatism». Petrology. 14 2 ed. 187 páginas. doi:10.1134/S0869591106020032 
3. Stackelberg, M. von; Chudoba, K. (1937). «Dichte und Struktur des Zirkons; II». Zeitschrift für Kristallographie. 97. pp. 252–262 
4. «Understanding more about Cubic Zirconia». Chic Jewelry. 2013. Consultado em 6 de dezembro de 2013. Arquivado do original em 14 de dezembro de 2013 
5. Hesse, Rayner W. Jewelrymaking Through History: An Encyclopedia. [S.l.]: Greenwood Publishing Group. p. 72. ISBN 978-0-313-33507-5 
6. Dhanaraj, Govindhan; Byrappa, Kullaiah; Prasad, Vishwanath (2010). Springer Handbook of Crystal Growth. [S.l.]: Springer. pp. 443–. ISBN 978-3-540-74761-1. Consultado em 1 de fevereiro de 2013 
7. Lomonova, E. E.; Osiko, V. V. (2004). Growth of Zirconia Crystals by Skull‐Melting Technique. Chichester, West Sussex: J. Wiley. pp. 461–484 
8. Nassau, Kurt (1981). «"Cubic zirconia: An Update."». Gems & Gemology. 1. pp. 9–19