Como se ha dicho, el dióxido de circonio es polimorfo, siendo su forma más estable a alta temperatura (> 2370 oC) la cúbica. La circonia cúbica tiene un índice de refracción, , muy alto. Un alto índice de refracción es una de las propiedades que confiere un brillo acusado a las joyas de piedras preciosas y, por tanto, las hace más atractivas. Una de las causas es que un índice de refracción alto imparte a la gema una gran reflectividad, que es la proporción de radiación que refleja una cara de la gema respecto a la que pasa al interior de la piedra (es decir, la que se transmite). La relación la da la ecuación de Fresnel, que se explica en el apartado 5.8.
Pero hay también una razón indirecta. Supongamos que observamos una piedra preciosa facetada (es decir, en forma de poliedro) que tenemos en la mano. Como se explica en el apartado 5.8, parte de la luz que incide sobre la gema se reflejará en alguna de sus caras según las leyes de la reflexión (“el rayo incidente y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano y forman el mismo ángulo respecto a la perpendicular a la superficie”). Si giramos la gema iremos viendo reflexiones de distintas caras. Pero una parte de la luz penetrará en el interior del material (se transmitirá), si bien lo hará con cambio de dirección del rayo; es lo que se llama refracción. A mayor índice de refracción, mayor será el desvío de la dirección de la luz.
La luz que ya ha entrado en la gema se puede reflejar en alguna cara interna. Si el ángulo de incidencia de la luz sobre dicha cara supera cierto valor llamado crítico se producirá lo que se llama reflexión interna total. El ángulo crítico está relacionado con los índices de refracción de la gema y del aire que la rodea por la ley de Snell (apartado 8.5), de modo que cuanto mayor es el índice de refracción de la gema menor es el ángulo crítico y por lo tanto en un material de alto índice de refracción se producirán muchas reflexiones internas, ya que será más probable que el ángulo de incidencia de la luz sobre una cara interna supere al ángulo crítico.
Por lo tanto, a igualdad de otras variables como la calidad del pulido, la elección de los ángulos óptimos para las facetas (fig. 5.8-dcha.) y la transparencia (que es fundamental; ver apartado 4.1), un alto índice de refracción tenderá a dar más brillo a una gema. El diamante tiene un índice de refracción muy alto (~2,42), pero el de la circonia cúbica no es mucho menor (~2,17), cualidad que junto a su transparencia y facilidad de tallado hacen a este material un buen competidor del diamante. La imagen 5.8-izqda. lo demuestra.
Ahora bien, como se ha explicado en el apartado 5.2, la circonia cúbica solo es estable a muy altas temperaturas, transformándose a temperatura ambiente en circonia monoclínica, que tiene un valor como material técnico mucho menor que el de la cúbica. Para evitar la transformación, como se ha dicho, la circonia cúbica se puede estabilizar totalmente con óxido de itrio, magnesio o calcio. Las propiedades físicas y ópticas dependen del tipo de estabilizador y de la cantidad de él que se añada.
Aparte de eso, existe una seria dificultad para obtener circonia cúbica: el altísimo punto de fusión del óxido de circonio, que supera los 2700 oC. Por lo tanto, se necesitan crisoles que soporten unos 2800 oC sin fundirse ellos mismos. No sirven ni los de platino. Pero el Instituto Lebédev de Rusia desarrolló un autocrisol adecuado para cristalizar circonia cúbica Se muestra en la figura 5.9-izqda.
Por crisol se entiende un recipiente hecho de un material con gran resistencia al calor (refractario) que permite fundir metales u otros materiales de alto punto de fusión. Pero en el caso del autocrisol no existe recipiente, sino que la propia sustancia fundida se autocontiene. Esto se consigue del siguiente modo en el caso que nos ocupa. Un conjunto de tuberías verticales destinadas a conducir agua fría se disponen en forma de vasija (figura 5.9-izqda). El haz de tuberías se abraza con bobinas de radiofrecuencia. Se amasa una pasta compacta de ZrO2 en polvo, un estabilizador de la estructura cúbica, como Y2O3, compuestos colorantes (si se desea) y una o varias piezas de circonio metálico que se colocan en el centro de esa masa. Cuando se enciende el generador de radiofrecuencias, estas transfieren a las piezas de Zr metálico energía en forma de calor por inducción electromagnética. El mecanismo es el mismo que el del calentamiento de sartenes, cazos u ollas en las cocinas de inducción y solo funciona con objetos conductores de la corriente eléctrica, generalmente metales. Se crea un campo magnético que induce en el objeto corrientes eléctricas (corrientes parásitas o de Foucault) y debido a la resistencia del material lo calientan por efecto Joule (conversión de parte de la energía de los electrones en calor).
Inicialmente el efecto solo se manifiesta en el Zr metálico, que se funde y al mismo tiempo se oxida, transformándose en más ZrO2 que se agrega a la masa existente. El ZrO2 que está en contacto con el metal empieza a fundirse también por el calor del metal, pero después lo hace por su propio calentamiento. Como se sabe, los sólidos iónicos no son conductores eléctricos porque sus cargas no tienen movilidad. Pero se vuelven conductores si se disuelven o se funden. El ZrO2 que empieza a fundirse experimenta una disociación en sus iones (Zr4+ y O2–) y se hace conductor, sintiendo también entonces los efectos de la radiofrecuencia, por lo cual se calienta.
Sin embargo, la fusión no se produce en la parte periférica de la masa porque está refrigerada continuamente por las tuberías de agua. Todo lo que se forma ahí es una costra de material sólido sinterizado (esta costra evocó a los descubridores del método la forma de un cráneo y por eso llamaron a este crisol “de cráneo”). Al permanecer el óxido de circonio fundido dentro de la costra se evita que se pierda calor y que se contamine la cerámica con el material de las tuberías, además de impedirse la fusión de estas. También se impide la fusión de las bobinas de radiofrecuencia.
La masa fundida se mantiene a altas temperaturas durante algunas horas para garantizar la homogeneidad y la vaporización de todas las posibles impurezas. Finalmente, el conjunto se empieza a enfriar reduciendo gradualmente la amplitud de la radiofrecuencia o bien desplazando las bobinas hacia arriba. Esto provoca que comience el proceso de cristalización. Una vez que el crisol se ha enfriado completamente, los cristales resultantes se pueden cortar y facetar para convertirlos en piedras preciosas artificiales[5]. La circonia que se obtiene es cúbica porque está estabilizada con itrio, como se explicó en el apartado anterior.
Si se quiere que la piedra sea coloreada no se puede agregar cualquier tipo de colorante porque este se destruiría térmicamente. Normalmente se emplean óxidos (apartado 4.6) resistentes al calor. Los de vanadio y cromo dan a la gema color verde; el de cerio, amarillo o naranja; el de hierro, amarillo; el de cobalto, violeta; el de europio, rosa; el de titanio, dorado; el de tulio, amarillo-marrón; el de neodimio, púrpura; el de praseodimio, ámbar… Se pueden añadir varios de ellos. Por eso, además de todos los colores de las gemas naturales, se pueden lograr colores “nuevos”. Gracias a la posibilidad de obtener múltiples colores y al alto índice de refracción de la circonia cúbica, con este material no solo se pueden imitar diamantes, sino otras piedras preciosas y semipreciosas como la amatista (púrpura); el rubí (rojo); o la esmeralda (verde), a las que la circonia cúbica o circonita, que es como se conoce en joyería, incluso puede superar en belleza[6].
En los últimos años se han hecho innovaciones, como recubrir el material con una película de carbono tipo diamante por deposición química de vapor (apartado 4.1). El material resultante es supuestamente más duro, más brillante y más parecido al diamante en general. Una técnica que se aplicó por primera vez al cuarzo y al topacio también se ha adaptado a la circonia cúbica: pulverizar al vacío una capa extremadamente delgada de un metal precioso (típicamente oro) o incluso ciertos óxidos o nitruros metálicos sobre las piedras terminadas para crear un efecto iridiscente. Este material es comercializado con el calificativo de «místico» por algunos distribuidores. El efecto no es duradero debido a la baja dureza del material de recubrimiento en comparación con el sustrato.
La circonia cúbica o circonita no es el único sucedáneo del diamante. Durante mucho tiempo se usó como tal el titanato de estroncio, de estructura cúbica y fuerte dispersión. En gemología se entiende por dispersión la capacidad de las piedras preciosas cristalinas de descomponer la luz blanca en los colores del arco iris. Como se comentó más arriba, esto se debe a la refracción de la luz, que supone un cambio de dirección de los rayos al cambiar de medio (del aire a la gema o viceversa). El ángulo de desvío de la dirección de la luz depende de su longitud de onda, y como la luz blanca está formada por fotones de diversas longitudes de onda, el efecto es una separación espacial o dispersión de los distintos fotones. Por cierto, a los destellos de colores del arco iris de las piedras preciosas se les llama “fuego”.
Inicialmente también se usó mucho el rutilo sintético (TiO2) como piedra preciosa, pues su dispersión es bastante mayor que la del diamante. Pero se vio superado por el granate de itrio y aluminio (Y3Al5O12) y el granate de gadolinio y galio (Gd3Ga5O12) (en el apartado 5.5 se explica qué son los granates) y, finalmente, por el mejor sucedáneo de todos, la circonia cúbica o circonita. También es excelente la moissanita sintética (SiC, apartado 3.9), casi tan dura como el diamante y muy dispersora, pero más cara de producir.
La circonia cúbica obtenida por el método del autocrisol no solo se usa en joyería. Debido a sus excelentes propiedades ópticas se ha empleado para fabricar lentes, prismas, filtros y elementos láser. En la industria química se recurre a este material para hacer ventanas de monitorización de líquidos corrosivos debido a su estabilidad química y tenacidad mecánica. Con el material se fabrican incluso escalpelos.
[1] Imagen: Diamond vs. cubic zirconia (cz): buying guide. Essilux. https://essiluxgroup.com/diamond-vs-cubic-zirconia.html.
[2] Imagen: Diamonds and total internal reflection. Mammoth Memory. https://mammothmemory.net/physics/refraction/diamonds-and-total-internal-reflection/diamonds-and-total-internal-reflection.html.
[3] Imagen adaptada de Skull Crucible.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Skull_Crucible.jpg&oldid=598225616.
[4] Imagen: Cubic Zirconia Run Opening.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Cubic_Zirconia_Run_Opening.jpg&oldid=598285813.
[5] Cubic zirconia. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Cubic_zirconia.
[6] D. W. Richerson (op. cit.).
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/ .
