La mayoría de las gemas naturales son minerales, aunque también las hay de origen animal (perlas, corales) o vegetal (ámbar). Pero hoy día se pueden crear gemas artificiales que en muchos casos son muy difíciles de distinguir de las naturales.
Muchas gemas naturales son del grupo de los silicatos. Por ejemplo:
- Cuarzo y sus variedades como la amatista, el cuarzo citrino o el rosado, que deben sus colores a impurezas metálicas (más abajo se explica la causa del color).
- Ópalo: silicato no cristalino de fórmula parecida al cuarzo, aunque hidratado (SiO2·nH2O).
- Piedra de luna: gema rara y costosa de la familia de los aluminosilicatos sódico-potásicos.
- Jade: roca metamórfica compuesta de minerales de silicato.
- Topacio: aluminosilicato de gran dureza que contiene flúor.
- Turmalina: gema multicoloreada que tiene una fórmula muy compleja basada en silicato, con Al, B, Mn, Mg, Fe, Na, Li y Ca en variadas proporciones.
- Circón: silicato de circonio (ZrSiO4).
- Berilos: ciclosilicatos de berilio y aluminio con fórmula química Be3Al2(SiO3)6). Dos destacados son la esmeralda y el aguamarina.
- Granates: silicatos dobles que constituyen una gran familia de casi todos los colores (fig. 4.21-izqda), menos azul (la tsavorita, por ejemplo, es verde).
Es notorio que muchas gemas son cristalinas. Por eso, si alguien quiere obtener una gema por métodos artificiales, lo primero que se le ocurrirá probablemente será hacer una cristalización. Por ejemplo, si se cristaliza adecuadamente alumbre potásico (KAl(SO4)2·12H2O) se pueden obtener los bonitos cristales octaédricos de la figura 4.21-dcha. No obstante, este material no tiene calidad de gema; si estos cristales caen en el agua se disolverán. Las gemas no se disuelven, pero precisamente por eso es difícil cristalizarlas a partir de una disolución. No obstante, se pueden disolver lentamente por un procedimiento que se llama hidrotermal y que se trata más abajo. Antes de verlo consideraremos otros métodos de cristalización de gemas artificiales.
Dos muy importantes reciben el nombre de sus inventores: Verneuil y Czochralski, y se engloban en una categoría de métodos que se llaman de fusión porque el cristal se obtiene a partir de nutrientes (sustancias a cristalizar) fundidos[3]. El de Verneuil es el más antiguo. Permite obtener cristales grandes de óxidos de alto punto de fusión, como por ejemplo zafiro y rubí. Se ilustra en la figura 4.22.
El nutriente en polvo contenido en una tolva se deja caer a través de una llama oxhídrica (que alcanza más de 2000 grados) para que se vaya fundiendo. Así se forma una película líquida sobre una semilla de cristalización (un monocristal del producto que se quiere obtener) que se coloca debajo, sobre un pedestal giratorio. Durante el crecimiento, el pedestal se va bajando lentamente para permitir que el cristal sintético en formación pueda crecer en longitud. Además de la llama oxhídrica se han utilizado muchas otras fuentes de calor, como el horno solar (una estructura que concentra la luz del Sol mediante reflectores), la descarga luminiscente (plasma formado por el paso de corriente eléctrica), la antorcha de plasma, el arco eléctrico o el calentamiento por inducción (apartado 5.3). La técnica adolece de algunos inconvenientes, como la alta densidad de dislocaciones cristalinas[5].
Por este procedimiento se pueden cultivar, por ejemplo, grandes cristales de rubí artificial. El nutriente principal en ese caso es Al2O3 en polvo de altísima pureza, pero se le agregan pequeñas cantidades de óxido de cromo para que el material tenga el color rojo típico del rubí. A propósito, conviene hacer algunas consideraciones sobre los colores de las gemas sintéticas.
Muchos materiales cerámicos naturales y artificiales deben su color a la presencia de iones de metales de transición como vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto o níquel. Cuando estos iones están aislados, su configuración electrónica contiene orbitales d degenerados (es decir, con la misma energía). Pero cuando los iones se incorporan a la red cristalina huésped, esta afecta a estos orbitales d alterando su energía, de tal modo que los orbitales se dividen en dos (o más) grupos con distinta energía, como se ilustra en la figura 4.23. Así lo consideran la teoría del campo cristalino, que se aplica también a los complejos o compuestos de coordinación.
La figura 4.23 ilustra cómo se separan los niveles de energía d del ion Cr3+ por efecto de los ligandos F–, H2O, NH3 y CN– en los respectivos compuestos de coordinación [CrF6]3–, [Cr(H2O)6]3+, [Cr(NH3)6]3+ y [Cr(CN)6]3–. La configuración electrónica del Cr es [Ar] 3d⁵ 4s¹. Por lo tanto, la del Cr3+ es [Ar] 3d3. Es decir, el Cr3+ aislado y en su estado fundamental tiene tres electrones que se colocan en otros tantos orbitales d convenientemente desapareados, en aplicación del principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund. Pero en los complejos mencionados, por influencia de los ligandos, los niveles de energía de los orbitales d se desdoblan en dos grupos, siendo la magnitud del desdoblamiento dependiente de la naturaleza del ligando. Esta separación energética permite que el Cr3+ pueda absorber fotones que tengan una energía correspondiente a la diferencia de energía entre los orbitales d, lo que hará que los electrones “salten” desde los niveles d inferiores a los superiores. Las energías de estos saltos corresponden normalmente a la región visible del espectro electromagnético. Eso explica que estos complejos sean coloreados. Su color es el complementario del que absorben. Así, el [CrF6]3– es verde; el [Cr(H2O)6]3+, violeta; y el [Cr(NH3)6]3+ y el [Cr(CN)6]3–, de distintos tonos de amarillo.
Lo análogo a lo explicado para los complejos sucede en las gemas. La separación de energía de los orbitales d del catión que se añade para dar color depende de la naturaleza del catión y de su estado de oxidación (carga), pero también de la naturaleza de los átomos o grupos de átomos que rodean al catión (es decir, de su “ambiente químico” o campo de ligando) e incluso de la disposición geométrica de estos átomos. Todas estas variables explican hechos como que el Cr3+ imparte al rubí (Al2O3) color rojo y sin embargo a la esmeralda (Be3Al2(SiO3)6) le da color verde. En una gema artificial, según el color deseado se añade el óxido metálico adecuado. Por ejemplo, el TiO2 se puede usar si se quieren colores marrones y amarillos; el CeO2 si se desean amarillos o verdes pálidos; el V2O5 para marrones, amarillos y verdes; el U3O8 para amarillos brillantes; el MnO2 para marrones y morados; el CoO para un azul muy especial llamado “azul cobalto”[6].
Hecho este inciso sobre la explicación de los colores de las gemas, trataremos ahora el otro importante método de fusión, el de Czochralski, que ya mencionamos en el apartado 2.10 al explicar cómo se obtienen monocristales de silicio. Se llama también de tracción porque se va “tirando” del cristal que se está formando para sacarlo de la masa fundida de nutrientes, la cual se halla en un crisol a una temperatura unos grados por encima del punto de fusión. En la masa fundida se introduce una varilla que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño monocristal que actúa como semilla. Sobre la semilla va cristalizando el fundido poco a poco. La varilla se va elevando, lo que hace que se forme un lingote cilíndrico. Este se finaliza aumentando la velocidad de extracción o bien aumentando la temperatura del crisol para que la masa fundida se haga más líquida. Se puede recurrir como apoyo a un rayo láser cuya función es subir la temperatura en el punto de la masa donde incide, con lo que este punto se vuelve más fluido y las impurezas tienden a disolverse en él, retirándose así del resto de la masa fundida. Es un método que produce cristales bastante perfectos y homogéneos. Como ejemplos de gemas que se obtienen bien por este proceso está el corindón y el granate. Otros métodos de fusión son los de Kyropoulos, Stepánov o Bridgman.
Aparte de los métodos de fusión existen los de deposición de vapor y los de disolución.
La deposición química de vapor, que se explicó en el apartado 4.1, es una técnica más reciente que las anteriores para el crecimiento de cristales. En un proceso de deposición química típico, un sustrato se expone a uno o más precursores volátiles que reaccionan o se descomponen en la superficie del sustrato para producir el depósito deseado. En el caso de la cristalización de gemas, el sustrato es una semilla del cristal que se quiere obtener. El nutriente se vaporiza a altas temperaturas y a medida que se enfría se deposita sobre la semilla. Se producen así rubíes, zafiros y diamantes.
En cuanto a los métodos de disolución, se dividen en métodos de flujo y métodos hidrotermales. El método de flujo consiste en disolver los nutrientes en un fundente, que es un material sólido que, cuando se derrite por calentamiento, disuelve a otros materiales, como se ha explicado en el apartado 4.3. La gran ventaja es que se puede realizar el proceso a temperatura significativamente más baja que la del punto de fusión del soluto sólido. Se pueden usar como fundentes CuO o BaO. Al evaporarse el fundente se va formando el cristal deseado sobre una semilla añadida inicialmente. Es un procedimiento muy lento (en algunos casos, obtener buenos cristales puede llevar hasta un año). Se pueden obtener así esmeraldas y otros berilos, rubíes, zafiros, espinela (MgAl2O4) o alejandrita (variedad de crisoberilo, BeAl2O4)[7].
El método hidrotermal es el más parecido a las cristalizaciones habituales que se hacen en los laboratorios docentes con fines didácticos y recreativos. Se llama así porque se basa en los fenómenos geológicos hidrotermales, que son alteraciones en minerales debidas a la circulación de agua caliente a presión. (El método se llama solvotermal si se usan otros disolventes). La idea es obtener los cristales a partir de disoluciones acuosas de los nutrientes. El problema es que estos nutrientes (dióxido de silicio, alúmina…) son extremadamente insolubles en agua a temperatura ambiente, e incluso a la máxima temperatura que puede alcanzar el agua a presión atmosférica que, como es sabido, es 100 oC. Pero si se aumenta la presión, el punto de ebullición del agua también aumenta, como se observa en la figura 4.24.
En esta relación entre p y T se basa el funcionamiento de una olla 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. En la figura 4.25 se ve 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.
Se ha comprobado que el método de flujo a veces no es adecuado para crear esmeraldas artificiales porque en la masa fundida pueden quedar componentes inmiscibles. Por eso, en los años 1960 se intensificó la obtención de esmeralda artificial hidrotermal, lo que propició la introducción de mejoras en las técnicas. Tradicionalmente, las condiciones que se aplicaban en el proceso eran 300-400 oC de temperatura y casi 1000 atm de presión, partiendo de una disolución ligeramente alcalina con nutrientes de sílice (SiO2), alúmina (Al2O3) y óxido de berilio (BeO) y aproximadamente un 10% de óxido de cromo(III) (Cr2O3) para darle el color verde característico a la esmeralda de síntesis (a veces también se emplea vanadio). Como semilla se usaba berilo natural. Posteriormente se han hecho modificaciones en el proceso para hacerlo más efectivo[9]. En la figura 4.26 se presentan muestras de esmeralda artificial, sin tallar y tallada. Los cristales que se obtienen son muy buenos y parecidos a los de la esmeralda natural. A veces se nota que son artificiales porque en su interior se aprecia un patrón de líneas paralelas, característica que también se observa en muchas piedras preciosas hidrotermales.
Además de la esmeralda se sintetizan también otros berilos. Se puede obtener berilo sintético de muchos colores, como amarillo, rojo y azul (aguamarina). El método hidrotermal se aplica a la obtención de gemas artificiales relacionadas con el cuarzo debido a que se obtienen mal por fusión porque la masa fundida es demasiado viscosa. Se logra cuarzo artificial o sus variedades de citrino (añadiendo Fe3+), amatista (se obtiene un citrino casi incoloro que luego se irradia con una fuente radiactiva, lo que hace que el Fe3+ pase a Fe2+) o cuarzo ahumado (se añade aluminio y al final del proceso se irradia). Se pueden crear cuarzos artificiales que no existen en la naturaleza, como uno de color azul agregando cobalto. O uno verde aplicando condiciones reductoras. La mayor parte del cuarzo que se obtiene por este procedimiento no se usa como piedra preciosa, sino en electrónica o para fabricar relojes de cuarzo o dispositivos que aprovechen la piezoelectricidad de este material (apartado 5.6).
[1] Imagen: Granat spessartyn Chiny 2.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Granat_spessartyn_Chiny_2.jpg&oldid=509158534.
[2] Imagen: Crystal growing: potassium alum. Random thoughts and fancy math. http://dmishin.blogspot.com/2015/03/crystal-growing-potassium-alum.html.
[3] R. Weldon. An Introduction to Synthetic Gem Materials. Gemological Institute of America. https://www.gia.edu/gem-synthetic.
[4] Imágenes: izqda.: Verneuil process diagram.svg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Verneuil_process_diagram.svg&oldid=458816634; dcha.: Flame fusion of corundum.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Flame_fusion_of_corundum.jpg&oldid=700872011.
[5] P. Capper. Bulk Crystal Growth: Methods and Materials. En S. Kasap., P. Capper P. (eds). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer (2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_12.
[6] A. J. Moulson. Color. En R. J. Brook (ed.). Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials. Elsevier (1991). https://doi.org/10.1016/C2009-1-28294-3.
[7] S. Oishi. Crystal Growth of Gemstones (cap. 17). En K. Byrappa et al. (eds.). Crystal Growth Technology. Springer (2003).
[8] Quartz synthese.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Quartz_synthese.jpg&oldid=609688664.
[9] M. Hosaka. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 21 (1991) 71-96. https://doi.org/10.1016/0960-8974(91)90008-Z.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
