Метод Вернейля

Метод Вернейля (также процесс Вернейля, названный по имени изобретателя) — способ выращивания монокристаллов с температурой плавления в пределах 1173—2773 К, использующийся для создания искусственных драгоценных камней, преимущественно синтетических рубинов и сапфиров.

Как рубин, так и сапфир состоят в основном из оксида алюминия Аl₂О₃, окраска порождается малыми примесями других оксидов металлов. По методу Вернейля, смесь оксидов расплавляется в огне водородно-кислородной горелки (печи Вернейля), получившиеся капли в процессе охлаждения образуют кристалл.

Изобретённая в самом начале XX века технология по-прежнему, лишь с небольшими изменениями, широко используется при производстве искусственных камней на основе корунда и шпинели.

История

Уже в 1817 году учёным удалось сплавить вместе два природных рубина, а в 1837 Марк Годэн смог получить первые микроскопические рубины из оксида алюминия. В 1877 году Эдмон Фреми разработал эффективный метод коммерческого изготовления рубинов из расплава и создал первые камни ювелирного качества. Парижский химик Огюст Вернейль^[англ.] вначале работал вместе с Фреми, но затем самостоятельно разработал новый способ получения камней в пламени горелки. Вернейль вдохновлялся так называемыми «женевскими рубинами», которые в 1880 году продавались безвестным женевским торговцем. В настоящее время женевские рубины считаются первыми, изготовленными в пламени горелки, тем самым, кто-то открыл схожий метод за 20 лет до Вернейля. Осознание, что рекристаллизация позволяет выращивать большие камни и появление высокотемпературной водородной горелки привели Вернейля к изобретению «печи Вернейля», в которой мелкомолотая смесь чистого оксида алюминия и оксида хрома расплавлялась при температуре не менее 2000 °C и перекристаллизовывалась на расположенной под пламенем подставке, образуя большой кристалл. Вернейль объявил о своих результатах в 1902 году и опубликовал детали в 1904 году.

Лаборатория Вернейля превратилась в промышленное производство и уже в 1907 году произвела тонну рубинов в 30 печах. К 1910 году производство возросло до 3200 килограммов.

Существенное усовершенствование в процесс внёс С. К. Попов в СССР в 1932 году. В годы второй мировой войны европейские камни оказались недоступными, и США также развернули масштабное производство для военных нужд.

В 2000 году только фабрика в Монте (Швейцария) производила 250 тонн камней в год.

Технология

Шихта высокой чистоты (не менее 99,9995 %) измельчается до частиц размером 1—20 мкм и засыпается в бункер с отверстиями на дне. Из вибрирующего бункера порошок просыпается в печь через отверстия, вместе с ним в печь подаётся кислород. Порция порошка и кислород идут по трубке, находящейся внутри другой трубки, по которой подаётся водород. В печи водород сгорает, расплавляя шихту. Расплав наращивает затравочный кристалл; по мере роста кристалла затравка опускается вниз, чтобы верхняя грань кристалла всегда оставалась на одном уровне, и вращается для равномерного роста и прогрева.

Кристалл растёт в форме вначале расширяющегося конуса, а затем цилиндра. Метод позволяет получить длинные кристаллы со скоростью несколько миллиметров в час, но требует согласовать расход шихты, подачу газов и скорость вращения кристалла. К преимуществам метода относятся:

отсутствие флюсов и дорогостоящих тиглей;
отсутствие необходимости точного контроля температуры при горении;
возможность визуального контроля за ростом монокристалла.

К недостаткам относятся:

появление внутренних напряжений в кристалле из-за высокой температуры процесса;
нарушение стехиометрии состава из-за восстановления компонентов водородом и испарения летучих веществ.

Литература

[dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/3835/ПРОЦЕСС Процесс Вернейля]. // Научно-технический энциклопедический словарь.
Вильке К.Т. Выращивание кристаллов, Л.: Недра. 1977, с.394.
Nassau, K. ‘Reconstructed’ or ‘Geneva’ ruby (неопр.) // Journal of Crystal Growth. — 1969. — October (т. 5, № 5). — С. 338—344. — doi:10.1016/0022-0248(69)90035-9. (англ.)
Harris, D. C. A peek into the history of sapphire crystal growth (неопр.) // Proceeding of SPIE. — 2003. — September (т. 5078). — С. 1—11. — doi:10.1117/12.501428. (англ.)
Levin, I. H. Synthesis of precious stones (англ.) // The Journal of Industrial and Engineering Chemistry^[англ.] : journal. — 1913. — June (vol. 5, no. 6). — P. 496—500. (англ.)
Scheel, H. J. Historical aspects of crystal growth technology (неопр.) // Journal of Crystal Growth. — 2000. — April (т. 211, № 1—4). — С. 1—12. — doi:10.1016/S0022-0248(99)00780-0. (англ.)
Imel, D. What is the procedure by which synthetic rubies are produced? (англ.) // The Rock Collector : journal. — 2005. — May (vol. 105, no. 5). — P. 6—8. Архивировано 25 октября 2005 года. (англ.)
R. T. Liddicoat Jr., Gem, McGraw-Hill AccessScience, January 2002, Page 2. (англ.)
Hughes, R. W.; Koivula, J. I. Dangerous Curves: A Reexamination of Verneuil Synthetic Corundum (неопр.) (октябрь 2005). Дата обращения: 16 июля 2015. Архивировано из оригинала 11 сентября 2019 года. (англ.)