Como es sabido, muchas gemas son cristalinas. Como se conoce su estructura química y mineralográfica, teóricamente se podría obtener cualquier gema por cristalización, es decir, a partir de una disolución de los nutrientes necesarios, dejando que se evapore el disolvente. Pero el problema es que los nutrientes de las gemas (dióxido de silicio, alúmina…) son muy insolubles. Esto se puede solucionar mediante un procedimiento que se llama hidrotermal.
El método recibe ese nombre porque se basa en los fenómenos geológicos hidrotermales, que son alteraciones en minerales debidas a la circulación de agua muy caliente, muy por encima de 100 oC. Para conseguir las temperaturas necesarias hay que elevar mucho la presión. Es el mismo fundamento que el de las ollas a presión. Cuando se calienta agua dentro de un recipiente de este tipo cerrado herméticamente, el vapor que se empieza a acumular aumenta la presión que soporta el líquido. Eso provoca que el líquido aumente su temperatura de ebullición. Como se sigue produciendo vapor, la presión sigue aumentando y asimismo la temperatura del agua. Por tanto, el agua ya no tiene un límite de temperatura de 100 oC, sino más alto. En las ollas a presión normales se suelen alcanzar temperaturas máximas de 130 oC; de este modo, los alimentos, al estar sometidos a más temperatura, se cocinan antes.
La cristalización hidrotermal se realiza en un autoclave, que es un recipiente hermético capaz de soportar miles de atmósferas, lográndose así que el punto de ebullición del agua suba a unos 300 o 400 oC. El recipiente está rodeado de los correspondientes serpentines calefactores. Los nutrientes se colocan en el fondo y sobre ellos se vierte agua, los compuestos deseados para que den color al cristal, si así se desea, y un mineralizador, que es una sustancia como el hidróxido de sodio o el carbonato de sodio que ayuda a disolver el nutriente. El aumento de la solubilidad de una sal poco soluble que se produce cuando se añade al sistema un compuesto iónico soluble que no tenga iones comunes con la sal poco soluble se llama efecto salino. Consiste en un aumento de la fuerza iónica de la disolución. La consecuencia es que disminuyen las actividades (concentraciones efectivas) de los iones respecto a las concentraciones molares. Para compensarlo, la sal poco soluble se solubiliza más.
La mezcla de la sal y el disolvente se tapa con un deflector agujereado que favorecerá la disolución debido a la formación de remolinos y al mismo tiempo ayudará a que se establezca una diferencia de temperatura entre las partes baja y alto del autoclave, condición necesaria que se explica más adelante. En la parte superior del recipiente se suspenden unos cristales de pequeño tamaño que servirán de semillas. Después se añade más agua hasta que ocupe un volumen del 80 u 85% del autoclave. Todo esto se lustra en la siguiente figura. (En la de cabecera puede verse un cristal sintético de cuarzo obtenido por este método).
Aunque los nutrientes son muy poco solubles, con ayuda de las altas temperaturas y el mineralizador parte de ellos se solubilizan. El sistema se diseña de modo que exista un gradiente de temperatura, de modo que la parte superior esté unas decenas de grados más fría que la inferior. Esa diferencia crea corrientes de convección que hacen, junto a la difusión, que el líquido caliente suba por el centro y el frío baje por las paredes. El nutriente contenido en el líquido muy caliente que sube, al enfriarse ligeramente en la parte alta del autoclave, queda sobresaturado y tiende a precipitar, lo cual se ve favorecido por las semillas. Por su lado, el disolvente enfriado baja por las paredes y en la parte de abajo vuelve a calentarse y a solubilizar más nutrientes.
El proceso puede ser muy largo (días, semanas, meses), dependiendo del tamaño deseado de la gema y su calidad, siendo también función de la temperatura y su gradiente, la presión, la concentración de mineralizador y la orientación cristalográfica de las semillas. Eso hace que se consuma mucha energía y que el proceso resulte caro.
