Ruby Sintetis

Latar Belakang

Berlian, rubi, safir, dan zamrud dikenal sebagai permata yang berharga. Di samping berlian, ruby ​​adalah batu permata yang paling keras; itu juga tahan terhadap asam dan zat berbahaya lainnya. Karena batu rubi yang besar dan berkualitas permata sangat langka, nilai batu rubi yang bagus mungkin empat kali lipat dari berlian dengan kualitas serupa.

Rubi dan safir keduanya terdiri dari korundum, yang merupakan bentuk kristal dari aluminium oksida. Mereka hanya berbeda dalam jumlah kecil mineral penghasil warna. Chromium memberi rubi warna merah yang khas, dengan konsentrasi yang lebih tinggi menghasilkan warna yang lebih gelap. Kristal aluminium oksida yang tidak mengandung krom disebut safir; mereka datang dalam banyak warna termasuk biru, kuning, hijau, merah muda, ungu, dan tidak berwarna.

Batu rubi alami ditemukan di beberapa situs di seluruh dunia, terutama di Myanmar (sebelumnya Burma), Thailand, Sri Lanka, Afghanistan, Tanganyika, dan Carolina Utara. Kristal transparan berwarna indah dihargai untuk penggunaan perhiasan, sementara batu tembus cahaya atau buram digunakan untuk barang-barang hias seperti alas jam.

Selain fungsi dekoratif mereka, rubi melayani berbagai tujuan utilitarian. Misalnya, karena kekerasannya, mereka membuat pemandu benang yang tahan lama untuk mesin tekstil. Ruby bahkan lebih keras dari baja, sehingga merupakan bahan bantalan yang sangat baik untuk poros logam di perangkat seperti jam tangan, kompas, dan meteran listrik. Rubi memiliki sifat transmisi gelombang yang luar biasa untuk rentang dari pendek, panjang gelombang ultraviolet melalui spektrum cahaya tampak hingga panjang gelombang inframerah. Ini membuatnya ideal untuk digunakan dalam laser dan maser (perangkat seperti laser yang beroperasi dalam rentang gelombang mikro dan gelombang radio yang tidak terlihat).

Karena banyak dari penggunaan industri ini menuntut kristal berkualitas sangat tinggi dengan ukuran dan bentuk tertentu, rubi sintetis diproduksi. Dengan pengecualian sejumlah kecil pengotor, permata sintetis memiliki sifat kimia, fisik, dan optik yang sama dengan rekan alaminya. Meskipun beberapa digunakan sebagai batu permata, sekitar 75% produksi ruby ​​​​sintetis modern digunakan untuk keperluan industri.

Sejarah

Batu rubi alami telah ditambang selama 8.000 tahun atau lebih. Dalam banyak budaya, permata dihargai tidak hanya karena keindahannya tetapi juga karena kekuatan supernaturalnya; umumnya dipercaya bahwa warna merah ruby ​​​​berasal dari api yang terperangkap di dalam batu. Orang Hindu kuno percaya bahwa batu rubi bisa membuat air mendidih, dan orang Yunani awal mengira kristal itu bisa melelehkan lilin. Dalam budaya lain (misalnya, Burma dan penduduk asli Amerika), rubi dianggap melindungi pemakainya karena warnanya yang seperti darah.

Karena sangat berharga, ruby ​​​​adalah batu permata pertama yang dibuat secara artifisial. Upaya terdokumentasi untuk membuat batu rubi berasal dari eksperimen Marc A. Gaudin, seorang ahli kimia Prancis yang memproduksi beberapa batu rubi sintetis mulai tahun 1837. Akan tetapi, batu tersebut tidak memiliki nilai apa pun sebagai permata, karena menjadi buram saat didinginkan. Setelah 30 tahun bereksperimen, dia menyerah, mengakui kekalahan dalam catatan percobaan terakhirnya yang diterbitkan.

Sekitar tahun 1885, beberapa batu rubi yang dijual sebagai batu permata ternyata buatan manusia (harganya yang luar biasa rendah mendorong pembeli untuk memeriksanya dengan cermat). Metode yang disebut rubi Jenewa ini dibuat tetap menjadi misteri sampai sekitar tahun 1970, ketika analisis sampel yang masih hidup menunjukkan bahwa mereka dibentuk dengan melelehkan bubuk aluminium oksida dan sejumlah kecil kromium oksida dalam susunan obor, dan membiarkan bahan cair mengeras.

Sebenarnya, batu rubi Jenewa mungkin berasal dari tahap perkembangan awal dari apa yang sekarang dikenal sebagai metode "peleburan api". Pada tahun 1877, ahli kimia Perancis Edmond Frémy dan seorang asisten mahasiswa menjelaskan bagaimana mereka memanaskan 44,1-66,15 lb (20-30 kg) larutan aluminium oksida yang dilarutkan dalam timbal oksida dalam tong porselen selama 20 hari. Saat pelarut menguap dan reaksi kimia terjadi di antara larutan, bejana, dan gas tungku, sejumlah besar kristal ruby ​​​​sangat kecil terbentuk di dinding baskom. Batu rubi sangat kecil dan biaya produksi sangat tinggi sehingga kristal tidak dapat digunakan secara realistis dalam perhiasan.

Kemudian, Auguste Verneuil, murid Frdmy lainnya, mengembangkan proses yang agak berbeda yang akhirnya menjadi sukses. Pada tahun 1891 ia memproduksi batu rubi dengan fusi api, meskipun ia tidak mempublikasikan deskripsi tekniknya sampai tahun 1902. Asistennya memamerkan batu rubi sintetis pada tahun 1900 di Pameran Dunia Paris, di mana batu tersebut cukup populer. Prosesnya hanya membutuhkan waktu dua jam untuk menumbuhkan kristal seberat 12-15 karat (2,5-3 g); batu-batu itu kira-kira bulat, dengan diameter hingga 0,25 inci (6 mm). Pada saat Verneuil meninggal pada usia 57 tahun pada tahun 1913, proses yang dia temukan sedang digunakan untuk memproduksi 10 juta karat (2.000 kg, atau 4.400 lb) rubi setiap tahun.

Pada tahun 1918, J. Czochralski mengembangkan metode yang berbeda untuk mensintesis batu rubi. Dikenal sebagai kristal menarik, teknik ini cepat, murah, dan efektif dalam menghasilkan batu tanpa cacat. Bahkan, ketika dipotong sebagai permata, batu-batu itu sangat jernih sehingga terlihat seperti tiruan kaca. Akibatnya, teknik ini sekarang digunakan terutama untuk pembuatan rubi keperluan industri.

Selama Perang Dunia II, tidak mungkin mendapatkan batu rubi dari sumber tradisional di Prancis dan Swiss. Karena batu-batu ini sangat penting untuk digunakan sebagai bantalan dalam instrumen militer maupun sipil, upaya dilakukan untuk meningkatkan teknik pembuatan. Salah satu peningkatan tersebut, yang dikembangkan oleh Divisi Linde dari Union Carbine Corporation, memodifikasi proses fusi api Verneuil untuk menumbuhkan batang tipis kristal rubi hingga panjang 30 inci (750 mm). Batang seperti itu dapat dengan mudah diiris menjadi cakram untuk menghasilkan bantalan dalam jumlah besar.

Sebuah proses yang dikembangkan oleh Bell Telephone Company pada tahun 1958 menggunakan suhu dan tekanan tinggi untuk menumbuhkan batu rubi pada biji yang telah dihasilkan oleh fusi api. Penyempurnaan teknik ini kemudian dikenal sebagai metode hidrotermal. Carroll Chatham, produsen permata San Francisco yang mengembangkan dan menggunakan proses hidrotermal, juga mengembangkan aplikasi pertama yang sukses secara komersial dari proses fluks pembuatan ruby. Teknik ini, pertama kali digunakan pada tahun 1959, pada dasarnya menciptakan magma yang bergolak dalam tungku dan menumbuhkan permata yang tampak sangat alami dalam waktu hampir satu tahun.

Metode Sintesis

Beberapa metode saat ini digunakan untuk membuat rubi; masing-masing memiliki kelebihan dan keterbatasan. Metode yang paling populer dapat dikategorikan menjadi dua jenis utama:produksi dari lelehan, di mana bahan bubuk dipanaskan ke keadaan cair dan dimanipulasi untuk memadat dalam bentuk kristal, dan produksi dari "larutan", di mana aluminium oksida dan kromium yang dibutuhkan dilarutkan dalam bahan lain dan dimanipulasi untuk mengendap menjadi bentuk kristal. Fusi api Verneuil dan penarikan kristal Czochralski adalah teknik pencairan yang paling umum digunakan, sedangkan pertumbuhan fluks dan pertumbuhan hidrotermal adalah versi proses larutan yang paling populer.

Rubi fusi api, umumnya yang paling murah, biasanya digunakan untuk bantalan dan perhiasan yang relatif biasa seperti cincin kelas. Batu rubi yang ditarik, dijual dengan harga lebih dari $5 per karat, lebih disukai untuk penggunaan laser. Batu rubi fluks, seharga $50 atau lebih per karat, digunakan dalam perhiasan yang lebih bagus. Proses hidrotermal yang kurang umum digunakan untuk aplikasi industri yang menuntut kristal bebas regangan atau kristal besar dalam bentuk selain batang.

Ada beberapa proses yang digunakan untuk membuat rubi sintetis. Fusi api Verneuil dan penarikan kristal Czochralski adalah teknik pencairan yang paling umum digunakan, sedangkan pertumbuhan fluks dan pertumbuhan hidrotermal adalah versi proses larutan yang paling populer.

Bahan Baku

Nutrisi (bahan yang akan menjadi kristal ruby) terutama terdiri dari aluminium oksida yang sangat murni (Al ₂ O ₃ ); sekitar 5-8% kromium oksida (Cr ₂ O ₃ ) harus ditambahkan untuk menghasilkan warna merah esensial. Jika permata asteriated (bintang rubi) sedang diproduksi, sejumlah kecil (0,1-0,5%) titanium oksida (TiO ₂ ) juga digunakan.

Tergantung pada metode yang digunakan, bahan kimia tambahan mungkin diperlukan. Proses fusi api menggunakan obor oksigen-hidrogen untuk melelehkan bentuk bubuk dari dua komponen dasar, sedangkan proses Czochralski menggunakan beberapa bentuk mekanisme pemanas listrik. Metode fluks menggunakan senyawa seperti litium oksida (LiO), molibdenum oksida (MoO), atau timbal fluorida (PbF ₂ ) sebagai pelarut nutrisi. Proses hidrotermal menggunakan larutan natrium karbonat (Na ₂ berair (berbasis air) sebagai pelarut CO ₃ ). Logam tahan korosi seperti perak atau platinum digunakan untuk melapisi bejana yang berisi bahan cair untuk proses Czochralski, fluks, dan hidrotermal.

Manufaktur
Proses

Pertumbuhan kristal

Salah satu dari empat metode berikut biasanya digunakan untuk membuat rubi sintetis.

• 1(Flame Fusion) Serbuk halus dari aluminium dan kromium oksida ditempatkan dalam hopper di bagian atas peralatan Verneuil. Sebuah palu di atas peralatan memukul hopper berulang kali; setiap pukulan menyebabkan sejumlah kecil bubuk jatuh melalui jaring halus yang membentuk lantai hopper. Bubuk yang dibuang ini jatuh ke aliran oksigen yang membawanya ke nosel di mana ia bercampur dengan aliran hidrogen dan dinyalakan. Panas yang hebat dari nyala api ini (sekitar 3.600 ° F atau 2.000 ° C) melelehkan nutrisi, yang jatuh ke alas keramik di bawah nyala api. Awalnya, palu mengetuk dengan kecepatan 80 ketukan per menit; setelah basa yang cocok untuk kristal terbentuk, kecepatan diturunkan menjadi sekitar 20 denyut per menit.

  Setelah dasar dibangun hingga diameter yang diinginkan (sekitar 0,8 inci atau 20 mm) dan pembentukan kristal berkualitas tinggi berlangsung, alas diturunkan pada kecepatan yang hanya menjaga bagian atas kristal tetap bersentuhan dengan nyala api. Setelah sekitar lima setengah jam, kristal mencapai panjang kira-kira 2,75 in (70 mm); aliran gas dihentikan, memadamkan api. Kristal, sekarang dengan berat sekitar 150 karat, dibiarkan dingin di tungku tertutup.

• 2 (Proses Czochralski) Nutrisi dipanaskan jauh di atas titik lelehnya dalam wadah yang dikelilingi oleh pemanas listrik. Sebuah kristal ruby ​​​​kecil melekat pada batang; kristal yang diinginkan akan tumbuh pada kristal benih yang disebut ini. Benih diturunkan ke dalam wadah sampai hampir tidak terendam dalam lelehan (yaitu, nutrisi cair). Untuk mempertahankan suhu kontak yang konstan antara lelehan dan seluruh keliling kristal benih, batang diputar secara konstan. Saat bahan nutrisi menempel pada benih dan mengkristal (suatu proses yang dibantu oleh pelekatan benih ke batang yang relatif lebih dingin), batang perlahan diangkat, menarik kristal yang tumbuh keluar dari lelehan. Ujung tumbuh tetap bersentuhan dengan lelehan sampai semua nutrisi telah digunakan. Laju pertumbuhan bisa sangat cepat, hingga tingkat 4 in (100 mm) per jam. Kristal yang sangat besar dapat ditarik, dengan diameter melebihi 2 inci (50 mm) dan panjang mencapai 40 inci (1 m) atau lebih.
• 3 (Pertumbuhan Fluks) Fluks adalah bahan yang bila dilelehkan akan melarutkan bahan lain yang memiliki titik leleh jauh lebih tinggi. Meskipun suhu lebih dari 3.600 ° F (2.000 ° C) diperlukan untuk melelehkan aluminium oksida, bahan akan larut dalam fluks tertentu pada suhu serendah 1.470 ° F (800 ° C). Suhu proses di atas 2.200 ° F (1.200 ° C) umumnya digunakan karena menghasilkan kristal berkualitas lebih tinggi. Saat larut dalam fluks, molekul ruby ​​​​dapat bergerak dengan bebas dan menempel pada kristal yang sedang tumbuh. Beberapa produsen merendam benih kristal dalam larutan, dan yang lain hanya membiarkan molekul bergabung secara acak dan membentuk jumlah kristal yang tidak direncanakan. Suhu dipertahankan untuk jangka waktu tiga sampai 12 bulan. Beberapa produsen kemudian menuangkan fluks yang masih cair untuk mengekspos kristal ruby. Pabrikan lain mendinginkan bahan secara perlahan (4° F atau 2° C per jam) dan kemudian mengekstrak kristal rubi dengan memutus fluks yang mengeras atau melarutkannya dalam asam.
• 4(Proses Hidrotermal) Nutrisi bubuk atau kristal ditempatkan di salah satu ujung tabung tahan tekanan. Sebuah kristal benih dipasang pada bingkai kawat di dekat ujung tabung yang lain. Sebuah solusi berbasis air yang tepat ditempatkan di dalam tabung, yang tertutup rapat. Tabung ditempatkan secara vertikal di ruang tungku, dengan ujung tabung yang mengandung nutrisi bertumpu pada elemen pemanas. Saat lantai tungku dipanaskan, ujung bawah tabung menjadi lebih panas daripada bagian atas (sekitar 835 ° F atau 445 ° C, dibandingkan dengan 770 ° F atau 410 ° C); bahan nutrisi terlarut bermigrasi ke arah benih dan mengkristal pada permukaannya yang relatif lebih dingin. Tekanan di dalam tabung dapat berkisar antara 83.000-380.000 kPa (12.000-55.000 lb per sq in), tergantung pada jumlah ruang kosong yang tersisa di dalam tabung saat pelarut dimasukkan.

  Tabung yang digunakan untuk proses hidrotermal dapat dibuat dalam berbagai ukuran yang sesuai, dengan rasio tinggi terhadap diameter berkisar antara 8-16. Dalam contoh yang dijelaskan dalam Pembuatan Permata Sintetis dan Kristal Sekutu, lima kristal benih ditempatkan dalam tabung sepanjang 12 inci (300 mm); setiap kristal tumbuh pada tingkat 0,006 dalam (0,15 mm) per hari selama periode pemrosesan 30 hari.

Penyelesaian permukaan

Apakah itu akan digunakan sebagai permata atau perangkat industri, ruby ​​​​harus diberi hasil akhir yang halus dan mengkilap setelah dipotong atau diberi bentuk yang diinginkan. Metode berikut dapat digunakan.

• 5 (Pemolesan) Permukaan digosok dengan partikel abrasif yang semakin halus seperti bubuk intan. Teknik tradisional ini hanya menyisakan goresan dan lubang mikroskopis.
• 6 (Glossing) Setelah pemolesan awal, permukaan batu dapat dipanaskan dengan cepat dalam nyala gas untuk melelehkan tonjolan kecil apa pun. Permukaan kemudian dibiarkan dingin, dan lapisan tipis bahan cair mengeras sebagai permukaan yang halus. Memperlakukan batang rubi dengan cara ini hampir menggandakan kekuatan tarik batang (tahan terhadap gaya tarik).

Membandingkan Sintetis Dengan
Natural

Rubi, ditanam sebagai batang untuk keperluan industri, mudah dikenali sebagai sintetis karena bentuknya. Batu buatan yang dipotong sebagai permata tidak begitu mudah diidentifikasi. Namun pemeriksaan mikroskopis dapat mengungkapkan pola karakteristik inklusi (partikel asing), gelembung, dan striations (pita pertumbuhan) yang dapat membedakan antara batu alam dan sintetis, bahkan mengungkapkan lokasi dari mana batu alam berasal atau proses dimana batu sintetis. dibuat.