زیرکونیای مکعبی

زیرکونیای مکعبی (CZ) یک کریستال به شکل مکعب و از لحاظ ساختار بلوری یک جامد کوالانسی است. دی‌اکسید زیرکونیوم (ZrO2) مادهٔ سنتز شده سخت و اغلب بی‌رنگ است. اما ممکن است در رنگ‌های مختلفی تولید شود. این ماده نباید با زیرکن که سیلیکات زیرکونیوم است (ZrSiO4) اشتباه گرفته شود، گاهی نام این ماده را به اشتباه زیرکونیوم مکعب نیز می‌گویند.

به علت قیمت پایین، استحکام بالا و شباهت ظاهری بسیار به الماس، از زمان تولید صنعتی اقتصادی این ترکیب در 1976 تا کنون، اصلی ترین رقیب برای الماس در صنعت جواهرسازی بوده است. موزانیت سنتتیک نیز رقیب اصلی این سنگ به عنوان یک سنگ قیمتی مصنوعی است.

جنبه‌های تکنیکی 
زیرکونیای مکعبی،کریستالوگرافی ایزومتریک است. یکی از مهم ترین ویژگی‌ های  این ماده، شبیه بودن به الماس است. اکسید زیرکونیوم در طول سنتز، به‌ طور طبیعی، کریستال‌ های مونوکلینیک را تشکیل می‌دهد، که فرم پایدار آن در شرایط جوّی طبیعی است. برای تشکیل کریستال‌های مکعب یک تثبیت‌کننده در دماهای معمولی پایدار لازم است. این ماده ممکن است به‌ طور معمول اتریم یا اکسید کلسیم باشد؛ مقدار تثبیت‌ کننده مورد استفاده بستگی به دستورالعمل‌ های تولیدکنندگان دارد؛ بنابراین خصوصیات فیزیکی و نوری CZ سنتزشده متفاوت است و همه مقادیر محدود هستند. بیش‌ترین کاربرد آن در  ساخت زیورآلات از جنس نقره و بدل و گاهی طلا به‌جای الماس است، چرا که قیمت الماس اصل، بسیار بالا بوده و به خاطر قدرت خرید مردم از نگین زیرکونیوم استفاده می‌کنند تا هزینه نهایی کاهش یابد.

زیرکونیای مکعبی در امواج فرابنفش کوتاه خاصیت فلورسانس معمولاً به رنگ زرد، زرد مایل به سبز یا "بژ" دارد. تحت امواج این اثر تحت امواج ماوراء بنفش بلند، تا حد زیادی کاهش می یابد، که گاهی اوقات درخشش سفید رنگی دیده می شود.

تاریخچه 
زرد کانی مونوکلین (baddeleyite)در سال ۱۸۹۲ کشف شده که صورت طبیعی از اکسید زیرکونیوم است.

نقطه ذوب بالای زیرکونیا (۲۷۵۰ درجه سانتی‌گراد یا ۴۹۷۶ درجه فارنهایت) مانع رشد کنترل‌شده بلورهای منفرد می‌شود. با این حال، تثبیت اکسید مکعب زیرکونیوم خیلی زود تحقق یافته و به عنوان محصول مصنوعی زیرکونیا (در سال ۱۹۲۹) معرفی شد. اگرچه زیرکونیا مکعب شکل است، اما به حالت سرامیک چند کریستالی است.

از سرامیک چند کریستالی به‌عنوان ماده دیرگداز استفاده می‌شد. این ماده در برابر مواد شیمیایی و حرارت بسیار مقاوم است (حداکثر ۲۵۴۰ درجه سانتی‌گراد یا ۴۶۰۴ درجه فارنهایت).

در سال ۱۹۳۷، کانی شناسان آلمانی M. V. Stackelberg و K. Chudoba زیرکونیا را (که به صورت دانه‌های میکروسکوپی موجود در زیرکونیا metamict وجود دارد) کشف کردند. تصور می‌شد این محصول، نتیجه فرایند متامیزاسیون باشد، اما این دو دانشمند فکر نمی‌کردند که این ماده معدنی، به اندازه‌ای اهمیت داشته باشد که نام رسمی برای آن انتخاب کنند. این اکتشاف، از طریق پراش پرتوی ایکس تأیید شده و اثبات وجود یک همتای طبیعی با محصولات مصنوعی است.

سنتز 

در حال حاضر روش اصلی سنتز زیرکونیای مکعبی که توسط تولیدکنندگان استفاده می‌شود، ذوب جمجمه است. این روش توسط Joseph F. Wenckus و همکاران (در سال۱۹۹۷) ثبت اختراع گردید. این امر، عمدتاً به دلیل فرایندی برای دستیابی به دمای بیش از ۳۰۰۰ درجه و همچنین، عدم تماس بین مواد و ظرف ذوب می‌باشد. از معایب اصلی این روش می‌توان به عدم توانایی در پیش‌بینی اندازه بلورهای تولیدشده و کنترل فرایند تبلور از طریق تغییر دما اشاره کرد.

دستگاه مورد استفاده در این فرایند، شامل یک ظرف می‌باشد که توسط کویل‌های مسی با فرکانس رادیویی (RF) و یک سیستم خنک‌کننده آب احاطه شده‌است.

دی‌اکسید زیرکونیوم که با یک تثبیت‌کننده (معمولاً ۱۰٪ اکسید اتریم) به‌طور کامل مخلوط می‌شود در یک مایع بخور سرد تغذیه می‌شود. تراشه‌های فلزی زیرکونیوم یا تثبیت‌کننده با روشی خاص موسوم به (compact pile manner) وارد مخلوط پودر می‌شوند. ژنراتور RF روشن می‌شود و تراشه‌های فلزی به سرعت شروع به گرم شدن کرده و به راحتی در زیرکونیا اکسیده می‌شوند؛ در نتیجه، پودر با هدایت حرارتی گرم شده، شروع به ذوب شدن می‌کند و رسانای الکتریکی می‌شود. در ادامه، این ماده از طریق ژنراتور RF گرم شده و این کار ادامه می‌یابد تا زمانی که کل محصول ذوب شود. به علت وجود سیستم خنک‌کننده اطراف مایع مذاب، پوسته‌ای نازک از مواد جامد ساخته‌شده تشکیل می‌شود. این باعث می‌شود زیرکونیای مذاب در پودر خود باقی مانده و از آلودگی در امان باشد تا گرما کاهش یابد. این مادهٔ مذاب برای اطمینان از همگن بودن و اطمینان از تبخیر همه ناخالصی‌ها، برای چند ساعت در دمای بالا باقی می‌ماند. سرانجام، کل ظرف به آرامی از سیم پیچ‌های RF خارج می‌شود تا گرمایش کاهش یافته و آرام آرام (از پایین به بالا) خنک شود. نرخی که در آن محلول از کویل‌های RF برداشته می‌شود، به عنوان تابعی از پایداری تبلور می‌باشد که برگرفته از نمودار انتقال فاز است. این روند تبلور را آغاز می‌کند و کریستال‌های مفید شروع به شکل‌گیری می‌کنند. پس از خنک شدن کامل ظرف تا دمای اتاق، بلورهای حاصل چند بلوک کریستالی تغییر طول یافته خواهند بود.

این تغییر شکل به علت مفهومی به عنوان دژنراسیون بلور شناخته می‌شود. اندازه و قطر کریستال‌های به دست آمده تابعی از سطح مقطع کریستال، حجم مذاب و ترکیب مذاب است. قطر بلورها به شدت تحت تأثیر غلظت  تثبیت‌کننده است.

ناخالص‌سازی 
به دلیل ظرفیت ایزومورفیک زیرکونیای مکعبی می‌توان آن را با چندین عنصر آلایش (تخدیر) کرد تا رنگ بلور را تغییر دهد. لیستی از مواد آلاینده (تخدیری) و رنگ‌های خاص تولید شده توسط اضافه‌شدن آن‌ها را می‌توانید در جدول زیر مشاهده کنید.

البته لازم است ذکر شود که ممکن است گونه‌هایی با رنگ‌های متفاوت وجود داشته باشد یا به وجود بیایند که در جدول بالا ذکر نشده‌است.

نقص رشد اولیه 
کریستال‌های YCZ (زیرکونیای مکعب یتریوم)، شفافیت بالا و ضریب شکست کمتر از  دارند. اما بعضی از نمونه‌ها دارای نقایصی هستند که رایج‌ترین موارد، در ادامه ذکر خواهد شد.
 اجزاء فاز پراکندگی نور: ناشی از آلاینده‌های موجود در بلور (در درجه اول رسوب سیلیکات‌ها یا آلومینات‌های اتریم) که به‌طور معمول از نظر اندازه ۰٫۰۳–۱۰ میکرومتر است.
 تنش‌های مکانیکی: به‌طور معمول ناشی از گرادیان درجه حرارت زیاد در فرایندهای رشد و خنک‌کننده است و باعث می‌شود که کریستال با فشارهای مکانیکی داخلی که بر آن ایجاد می‌شود، شکل بگیرد. این اتفاق، باعث می‌شود که مقادیر شاخص انکسار، حداکثر  باشد؛ اگرچه اثر آن می‌تواند با مقاوم‌سازی در ۲۱۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش یابد و به دنبال آن یک روند خنک‌کننده با سرعتی آرام انجام شود.
 جابه‌جایی‌ها: مانند فشارهای مکانیکی، جابه‌جایی‌ها می‌توانند تا حد زیادی کاهش یابد.

نوآوری‌ها 
در سال‌های اخیر  تولیدکنندگان به دنبال راه‌های تمایز زیرکونیای مکعبی خود هستند. پوشش زیرکونیای مکعبی، با غشایی از کربن شبه الماس (DLC) یکی از این نوآوری‌ها است.

فرایندی که با استفاده از رسوب بخار شیمیایی انجام می‌شود. ظاهراً مواد حاصل سخت‌تر، براق‌تر و بیشتر شبیه به الماس هستند. تصور می‌شود که این پوشش ضمن خنثی کردن ضریب شکست آن، پاشندگی نوری اضافی زیرکونیا مکعب را کاهش دهد و بیشتر شبیه الماس شود.

جستارهای وابسته 
 الماس
 شبیه ساز الماس
 کارخانه سنگ (sheby)
 الماس مصنوعی
 زیرکونیا تثبیت شده (توسط Yttria)

منابع

پیوند به بیرون 

بلورها
ترکیب‌های زیرکونیوم
دیرگدازها
کانی‌های ساختگی
گوهرسنگ‌ها