Zircônia cúbica

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Antecedentes

Uma gema ou gema pode ser definida como uma joia ou pedra semipreciosa cortada e polida para adorno pessoal. As gemas produzidas nos Estados Unidos e em outros países produtores são de três tipos; natural, sintético e simulador. As gemas naturais são cortadas de minerais de forma cristalina, como berilo, corindo e quartzo. (O diamante é um cristal de carbono puro.) Materiais orgânicos como âmbar, coral, fóssil, marfim, madrepérola, pérolas naturais e cultivadas de água doce e pérolas naturais de água salgada também são consideradas gemas naturais.

As gemas sintéticas cultivadas em laboratório têm essencialmente a mesma aparência, propriedades ópticas, físicas e químicas do material natural que representam. As gemas sintéticas produzidas nos Estados Unidos incluem alexandrita, coral, diamante, esmeralda, granada, quartzo, rubi, safira, espinélio e turquesa. Existem também pedras sintéticas que não possuem uma contrapartida natural.

Simulantes são materiais de gema cultivados em laboratório que têm uma aparência semelhante à de um material de gema natural, mas têm diferentes propriedades ópticas, físicas e químicas. A zircônia cúbica (CZ), um substituto do diamante, se enquadra nesta categoria e foi usada pela primeira vez para a produção de pedras de joalheria em 1976. Na escala de dureza das pedras, o diamante genuíno é 10 em comparação com uma dureza que varia de 8,5-9 para CZ. CZ tem um índice de refração (a capacidade de refratar um raio de luz em cores de vermelho, laranja, verde, amarelo, violeta e azul) de 2,15-2,18, em comparação com 2,42 para o diamante genuíno.

Os predecessores da zircônia cúbica como imitações de diamante incluíram titanato de estrôncio (introduzido em 1955) e granada de ítrio-alumínio. No entanto, o titanato de estrôncio era muito mole para certos tipos de joias. A zircônia cúbica se tornou mais popular porque sua aparência é muito próxima ao diamante como gemas lapidadas.

Os simuladores de gemas produzidos nos Estados Unidos incluem coral, zircônia cúbica, lápis-lazúli, malaquita e turquesa. Além disso, certas cores de safira sintética e espinélio, usadas para representar outras pedras preciosas, seriam classificadas como simulantes. Variedades coloridas e incolores de CZ são os principais tipos de simuladores produzidos e estão no mercado há mais de 30 anos. Tal como acontece com o diamante genuíno, o CZ está disponível em graus superiores e inferiores, variando de várias dezenas de dólares por quilate a $ 100 por quilate para os graus superiores.

Na última década, o uso e a aceitação do consumidor de gemas sintéticas e simulantes aumentaram. Muito desse crescimento é resultado direto do reconhecimento dessas gemas por seus próprios méritos, não apenas como substitutos baratos para gemas naturais. A produção anual de gemas sintéticas e simulantes dos EUA está atualmente avaliada em cerca de US $ 20 milhões, com a produção de gemas naturais em cerca de duas vezes e meia isso.

Matérias-primas

A zircônia cúbica é feita de uma mistura de pós de óxido de zircônio de alta pureza estabilizados com magnésio e cálcio. A quantidade de cada ingrediente é cuidadosamente controlada, com certos aditivos às vezes sendo usados ​​para obter uma aparência semelhante a diamantes genuínos.

O processo de fabricação

Os produtores de gemas sintéticas e simuladoras usam muitos métodos de produção diferentes, mas eles podem ser agrupados em um dos três tipos de processos:crescimento por fusão, crescimento por solução ou crescimento por temperatura extremamente alta e alta pressão. As técnicas de solução para fazer gemas sintéticas incluem métodos de fluxo para esmeralda, rubi, safira, espinélio e alexandrita. O outro método de solução é o método hidrotérmico, freqüentemente usado para o cultivo de berilo (esmeralda, água-marinha e morganita) e quartzo. Este método usa um grande vaso de pressão chamado autoclave.

Outras técnicas envolvem reações no estado sólido ou líquido e transformações de fase para jade e lápis-lazúli; deposição em fase de vapor para rubi e safira; cerâmica para turquesa, lápis-lazúli e coral; e outros para opala, ou simuladores ou imitações de vidro e plástico. Os processos Vemeuil, Czochralski e de derretimento do crânio são as técnicas de derretimento mais utilizadas para materiais de gema.

O químico francês Edmond Fremy produziu as primeiras gemas sintéticas comerciais em 1877 por um método de crescimento por fusão. Esses eram pequenos cristais de rubi e foram cultivados pela fusão de uma mistura contendo óxido de alumínio em um cadinho de argila, o processo demorando cerca de oito dias. Estes foram denominados rubis reconstruídos. Em 1885, rubis sintéticos maiores surgiram usando um processo de fusão por chama e pó de alumina. Mais tarde, safira, espinélio, rutilo e titanato de estrôncio foram cultivados com essa técnica, também conhecida como método Vemeuil.

O método de crescimento puxado de Czochralski, desenvolvido por volta de 1917 por um cientista de mesmo nome, é usado para rubi, safira, espinélio, gameta de ítrio-alumínio (YAG), gadolínio-gálio-granada (GGG) e alexandrita. No método Czochralski, ingredientes em pó são derretidos em um cadinho de platina, irídio, grafite ou cerâmica. Um cristal de semente é preso a uma extremidade de uma haste giratória, a haste é baixada no cadinho até que a semente apenas toque o fundido e, então, a haste é lentamente retirada. O cristal cresce à medida que a semente extrai materiais do fundido e o material esfria e se solidifica. Ainda assim, por causa da tensão superficial do fundido, o cristal em crescimento permanece em contato com o material fundido e continua a crescer até que o fundido se esgote.

Normalmente, a semente é puxada do fundido a uma taxa de 0,0394-3,94 pol (1-100 mm) por hora. Os cristais cultivados usando este método podem ser muito grandes, mais de 1,97 pol. (50 mm) de diâmetro e 3,281 pés (1 m) de comprimento, e de altíssima pureza. A cada ano, os produtores que usam esse método cultivam milhões de quilates de cristais. O método de derretimento do crânio é usado para zircônia cúbica e será descrito com mais detalhes abaixo.

Certas gemas apresentam problemas únicos quando são feitas tentativas de cultivá-las. Os problemas surgem porque certos materiais são tão reativos que não podem ser derretidos mesmo em cadinhos de platina e irídio não reativos ou derretem a temperaturas mais altas do que os materiais do cadinho podem suportar. Portanto, outro sistema de fusão deve ser usado, denominado sistema de fusão do crânio. A zircônia cúbica, devido ao seu alto ponto de fusão, deve ser cultivada usando este método.

Derretimento

• 1 A "caveira" é uma xícara de cobre com paredes ocas. A água circula pelas paredes ocas para resfriar a parede interna do crânio. O copo é preenchido com ingredientes em pó e aquecido por indução de radiofrequência até o pó derreter. Como a água resfria as paredes do crânio, os materiais em pó próximos às paredes não derretem e o material derretido fica contido dentro de uma concha de material não derretido. Portanto, o fundido reativo ou de alta temperatura está contido em si mesmo.
• 2 Quando a fonte de calor é removida e o sistema pode esfriar, os cristais se formam por nucleação e crescem até que toda a fusão se solidifique. Os cristais cultivados usando este sistema variam em tamanho, dependendo do número de nucleações. No cultivo de zircônia cúbica, um único crânio rende cerca de 2,205 lb (1 kg) de material por ciclo.

Corte

O corte em qualquer pedra, seja natural ou imitação, depende da habilidade do lapidador. O cortador deve avaliar um cristal de gema cuidadosamente para determinar quanto do cristal deve ser cortado para produzir uma pedra ou pedras com boa clareza. O cortador também deve determinar quais formatos de pedra farão o máximo uso do cristal. O cortador deve usar o cristal o máximo que puder, pois o diamante é valioso demais para ser desperdiçado.

A proporção desempenha um papel importante no corte de um diamante. Uma pedra ideal é cortada com especificações matemáticas para permitir que uma quantidade máxima de luz seja refletida através da pedra. Esse tipo de corte é conhecido como corte Brilhante. Variações dessas proporções definidas podem reduzir o brilho da pedra. Ao trabalhar com diamantes, um cortador pode achar que é mais sensato em termos de custo variar desses ângulos para remover uma falha ou inclusão, ainda retendo o peso máximo em quilates. Como os cristais de diamante falsificados têm custo mais moderado e clareza quase perfeita, pedras maiores podem ser cortadas nas proporções corretas.

• 3 Existem várias etapas no corte. Primeiro, a pedra é marcada para indicar os planos de clivagem e depois clivada para dar forma inicial à pedra. Como a zircônia cúbica se divide prontamente em direções paralelas à face do cristal octaédrico, ela pode ser clivada usando ferramentas especiais impregnadas com pó de diamante. Uma alternativa ao clivagem é a serragem, usada para remover áreas imperfeitas (pedras de imitação não terão tantas) usando um pequeno disco de bronze fosforoso impregnado de diamante em sua borda. Máquinas programáveis ​​de precisão agora são usadas para cortar pedras com uma medição predeterminada (chamada calibração), de forma que cada pedra possa ser produzida no mesmo tamanho, formato e profundidade.
• 4 A próxima etapa, chamada de bruting ou arredondamento, consiste em arredondar os cantos das arestas clivadas. Isso é feito usando uma máquina equipada com uma ferramenta diamantada chamada de ponta.
• 5 Após brutalização ou arredondamento, a pedra é facetada com uma roda de corte de ferro fundido. O polimento segue uma operação de lapidação secundária.
• 6 A etapa final é uma limpeza completa fervendo em ácido para remover todos os vestígios de óleo, sujeira e pó de diamante. Depois que as pedras são inspecionadas ao microscópio, elas são embaladas em um pacote de espuma.

Controle de qualidade

A qualidade de uma pedra real ou de imitação é determinada pelos quatro Cs:quilate, cor, clareza e corte. É a combinação das qualidades em todos os quatro que determinam a qualidade final e, portanto, o valor de um diamante genuíno e de um diamante de imitação. O peso em quilates de 0,0175 onças (0,5 g) de um diamante genuíno é o peso da pedra em quilates. As pedras sintéticas são sempre mais pesadas em quilates do que os diamantes genuínos, pois o material de que são feitas é mais denso.

A cor de um diamante pode afetar seu valor. A ausência total de cor representa a extremidade superior da escala, e pedras claras e de tonalidade irregular compõem a extremidade inferior. Os diamantes com um grau de cor incomumente alto são conhecidos como fantasias e são classificados pela uniformidade, raridade e tom da cor. Os diamantes de zircônia genuínos e cúbicos estão disponíveis em várias cores, desde amarelos mais claros até vermelhos brilhantes.

A clareza é a clareza ou transparência de uma pedra. Em diamantes genuínos, a clareza é determinada pela natureza, pequenos traços minerais e pequenos cristais de imperfeições que podem turvar uma pedra. Quanto mais clara a pedra, mais valiosa ela é. A clareza de um diamante falsificado pode ser controlada no laboratório. No entanto, derretimentos ruins podem produzir pedras com pequenas inclusões. Variações nas misturas de óxidos metálicos podem alterar a cor da pedra. A coloração irregular é tão indesejável em um diamante falsificado quanto em um diamante genuíno.

Dos quatro Cs, o corte é o mais importante para determinar o brilho de um diamante. Em 1919, Marcel Tolkowsky, um cortador de diamantes de terceira geração nascido na Antuérpia e estudante de engenharia mecânica, determinou as proporções adequadas nas quais um diamante deveria ser lapidado para obter o máximo de fogo e brilho. Este ideal, conhecido como Corte Brilhante, é um padrão mensurável objetivo. Cada diamante de lapidação brilhante tem 58 facetas, cortadas em ângulos precisos matematicamente determinados para refletir e refratar os raios de luz máximos. Isso garante que um diamante foi cortado em suas melhores proporções possíveis para a beleza ideal, em vez de simplesmente manter o peso máximo em quilates. Na verdade, a proporção do diamante e os graus de acabamento são definidos em termos do grau de afastamento deste padrão. No método de derretimento do crânio para cultivar zircônia cúbica, um copo de cobre de parede oca é preenchido com ingredientes em pó e aquecido por indução de radiofrequência até que os pós derretam. A água circulante dentro das paredes ocas resfria a parede interna do crânio. Como a água resfria as paredes do crânio, os materiais em pó próximos às paredes não derretem e o material derretido fica contido dentro de uma concha de material não derretido. Portanto, o fundido reativo ou de alta temperatura está contido em si mesmo. Quando a fonte de calor é removida e o sistema pode esfriar, os cristais se formam por nucleação e crescem até que todo o fundido se solidifique. Um único crânio rende cerca de 2,205 lb (1 kg) de zircônia cúbica por ciclo. Este padrão também se aplica a imitações de diamantes feitos de zircônia cúbica.

Embora o corte brilhante de 58 facetas seja conhecido como a medida padrão de qualidade na indústria de corte, há casos especiais em que desvios são necessários. Muita refração da luz em uma área pequena reduz a clareza, portanto, pedras extremamente pequenas podem ser cortadas com menos facetas. Pedras maiores podem ser cortadas com mais facetas pelo motivo oposto. O tamanho da pedra pode aumentar tanto a largura das facetas que o brilho é perdido. Não é incomum encontrar diamantes de um quilate cortados dessa maneira. Com a introdução de novos cortes como o radiante, princesa e trilhão, a demanda por pedras multifacetadas aumentou.

Existem várias formas que podem ser cortadas. A rodada oferece brilho, dispersão e fogo máximos e é a mais popular de todas as formas de diamante genuíno e de imitação. O oval tem uma forma oblonga, uma forma ligeiramente alongada. As facetas ao redor da parte superior da pedra são muito semelhantes ao arranjo das facetas da pedra redonda. Por esse motivo, um diamante oval bem lapidado dá uma aparência cintilante, captando e refletindo a luz de todas as direções. O tempo (oito a 10 horas para um quilate) necessário para cortar uma oval é aproximadamente o dobro do tempo necessário para cortar uma pedra redonda, porque leva mais tempo para fazer a moldagem primária.

Outros métodos de teste são usados ​​para medir propriedades ópticas e físicas. Um microscópio binocular é usado para procurar defeitos, como inclusões. O índice de refração é medido usando um refratômetro. A gravidade específica de uma pedra é determinada verificando se ela afunda, flutua ou permanece estacionária em um líquido com uma gravidade específica conhecida.

O Futuro

De acordo com especialistas do setor, espera-se que o mercado de joias de zircônia cúbica mantenha uma posição estável à medida que os varejistas do mercado de massa continuam a oferecer aos seus clientes e o preço continua a cair. A zircônia cúbica também está se tornando mais lucrativa como substituto do diamante genuíno em brincos, o solitário de diamante e a pulseira de tênis. Em outras palavras, ele não está mais sendo considerado apenas uma imitação barata, especialmente com melhorias no brilho e no reflexo. Uma taxa de crescimento geral de cerca de 10% é, portanto, prevista para o mercado. Embora um novo simulador de diamante tenha sido introduzido recentemente, denominado moissanita sintética (um carboneto de silício cristalizado), o preço mais alto e o processo mais difícil desse material o limitarão a competir com a zircônia cúbica.