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Cristal de zafiro

Octubre 04, 2021

El cristal de zafiro (también conocido como cristal-zafiro o zafiro sintético) es un cristal sintético con la misma composición química que el zafiro natural y con sus mismas propiedades, como elevada dureza (es el segundo mineral más duro tras el diamante) y gran transparencia, lo que hace que sea muy utilizado en aplicaciones en las que se requieren vidrios de gran dureza y resistencia para evitar el rayado ocasionado en determinados dispositivos por su manipulación frecuente, tales como relojes de pulsera y en un futuro inmediato teléfonos móviles. También se utiliza ocasionalmente en joyería, aunque no ha reemplazado a las piedras naturales, que siguen teniendo precios mucho más elevados.

Historia

 
Zafiro sintético
 
Esfera de un reloj TAG-Heuer Indy-500 protegida con cristal zafiro[1]​

En 1902 el químico francés Auguste Verneuil desarrolló un proceso para producir cristales sintéticos a partir de alúmina.[2]​ En el proceso que lleva su nombre (proceso de Verneuil), se añade polvo de alumina a una llama oxihidrogenada se dirige hacia abajo contra un sustrato.[3]​ La alúmina en la llama es depositada lentamente, creando un depósito monocristalino de zafiro en forma de lágrima. En el proceso se pueden agregar determinadas impurezas químicas para crear versiones artificiales del rubí y de todos los demás colores naturales de zafiro. Además, se pueden producir otros colores nunca vistos en las muestras naturales. El material del zafiro artificial es idéntico al de zafiro natural, excepto en que se puede fabricar sin los defectos que se encuentran en las piedras naturales. La desventaja de proceso de Verneuil es que los cristales generados tienen tensiones internas elevadas, lo que los hace muy frágiles. Actualmente existen otros métodos de fabricación de zafiro, variaciones del proceso Czochralski, que fue inventado en 1916 por el químico polaco Jan Czochralski.[4]​ En este proceso, una pequeña semilla de cristal de zafiro se sumerge en un crisol hecho del metal iridio o de molibdeno,[5]​ conteniendo alúmina fundida y, a continuación, es retirada lentamente hacia arriba a una velocidad de 1 a 100 mm por hora. La alúmina se cristaliza en el extremo, creando largas bolas en forma de zanahoria de gran tamaño (hasta 200 kg de peso).[6]​

El zafiro sintético también se produce industrialmente a partir de óxido de aluminio aglomerado, sinterizado y fusionado (mediante prensado isostático en caliente) en una atmósfera inerte, produciendo un material policristalino transparente pero ligeramente poroso.[7]​

En 2003 la producción mundial de zafiro sintético fue de 250 toneladas (1,25×109 quilates), sobre todo por parte de Estados Unidos y Rusia.[8]​[9]​ La disponibilidad de zafiro sintético relativamente barato ha facilitado muchos usos industriales para este material único:

  • El primer láser fue fabricado a partir de una varilla de rubí sintético. Los láser de titanio-zafiro son populares debido a su capacidad relativamente rara de ser sintonizables a varias longitudes de onda entre el rojo y casi la región infrarroja del espectro lumínico(posible rango sintonizable es Ti-zafiro ≈ 650 nm a 1100 nm). También pueden ser fácilmente conformados para producir pulsos de luz extraordinariamente cortos. En estos láseres, un cristal de zafiro producido sintéticamente con impurezas de cromo o titanio se irradia con luz intensa de una lámpara especial o de otro láser para crear emisión estimulada de luz.
  • Los sustratos de zafiro sintético de alta calidad utilizados en nanotecnología a menudo se llaman cristal azul, debido a su característico color azul.

Aplicaciones más comunes

Junto con la zirconia y el oxinitruro de aluminio, el zafiro sintético se utiliza para vidrios de ventanas resistentes al astillado en vehículos blindados y para prendas antibalas militares (en asociación con materiales compuestos).

Un tipo de faros de xenón (originalmente denominados "Cermax"), que ahora se conocen genéricamente como "lámparas de xenón de cuerpo cerámico", están fabricados con cristal de zafiro, debido a que tolera mayores cargas térmicas (y en consecuencia, potencias lumínicas más altas) que las lámparas de xenón convencionales con cristales de sílice puro.[10]​

Cristal de zafiro

Una aplicación del zafiro sintético es el cristal de zafiro a menudo llamado cristal azul por el color de los zafiros naturales. Aquí cristal es un término ambiguo, que no se refiere tanto al estado molecular del material, como a su transparencia. Este material no solo es altamente transparente a longitudes de onda de luz entre 150 nm (luz ultravioleta) y 5.500 nm (luz infrarroja) (el ojo humano puede discernir las longitudes de onda de aproximadamente 380 nm a 750 nm[11]​), sino que también es extraordinariamente resistente a los arañazos (el zafiro tiene un valor de 9 en la escala de Mohs).

Los principales beneficios de los vidrios de zafiro son:

  • una banda de transmisión óptica muy amplia, del ultravioleta al infrarrojo cercano (150-5.500 nm);
  • ser significativamente más duro que otros materiales ópticos o cristales de vidrio estándar);
  • una alta resistencia a los arañazos y a la abrasión (9 en la escala de Mohs, una de las sustancias más duras después de la moissanita (carburo de silicio) y los diamantes));
  • una temperatura de fusión extremadamente alta (2030 °C).

El llamado "cristal de zafiro" se refiere normalmente al zafiro cristalino utilizado en relojería y en los teléfonos celulares.[12]​[13]​ Algunos cristales están fabricados a partir de "bolas" de zafiro puro que se han hecho crecer con una orientación cristalina específica, típicamente a lo largo del eje óptico (denominado eje c), para minimizar su birrefringencia. Las bolas se cortan verticalmente en el espesor del vidrio solicitado, que finalmente es pulido con el acabado superficial deseado. Los cristales de zafiro pueden ser pulidos con una amplia gama de acabados superficiales debido a su estructura cristalina y a su dureza. Los acabados superficiales de estos cristales normalmente se denominan de acuerdo con las especificaciones de defectos superficiales adoptadas a nivel mundial (MIL-O-13830).

En principio se iban a utilizar pantallas con cristal zafiro en una serie de productos de Apple (iPhone 5s, iPhone 6, e iPad mini 3,[14]​[15]​[16]​ así como en el Apple Watch,[17]​) pero finalmente se comercializaron con pantallas de Gorilla Glass en su lugar. Sin embargo, a partir del modelo 5S, el lector de Touch ID y el cristal de la cámara posterior están fabricados con cristal de zafiro.

Los cristales de zafiro se utilizan en celdas de alta presión para espectroscopía, en cristales de relojes de pulsera de alta gama y en los lectores de códigos de barras utilizados en los comercios de alimentación, donde la dureza y tenacidad excepcional del material hacen que sea muy resistente al rayado.[8]​

También se usa en las lentes de algunos tubos láser de alta potencia, debido a que su transparencia en banda ancha y su conductividad térmica permiten manejar densidades de potencia muy altas en el espectro infrarrojo o ultravioleta sin degradaciones debidas al calentamiento.

 
Lámpara de Xenón tipo Cermax, confinada con cristal zafiro para resistir las elevadas temperaturas

Sustrato para circuitos de semiconductores

Artículo principal: Silicio sobre zafiro

Obleas de zafiro delgadas fueron utilizadas como uno de los primeros sustratos semiconductores aislantes sobre el que depositar silicio para conformar circuitos integrados, conocidos como "silicio sobre zafiro" ("SOS" por sus siglas en inglés: Silicon On Sapphire). Actualmente también se utilizan otros sustratos en estos circuitos, conocidos generalmente como "silicio sobre aislante" ("SOI" por sus siglas en inglés: Silicon On Insulator). Además de sus excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, el zafiro tiene una alta conductividad térmica. Circuitos CMOS sobre zafiro son especialmente útiles para aplicaciones de alta potencia en radiofrecuencia (RF), como las utilizadas en los teléfonos celulares, comunicaciones por radio y sistemas de comunicación por satélite. La tecnología de las placas del tipo "SOS" también permite el diseño de sistemas electrónicos monolíticos -digitales y analógicos- en un solo circuito integrado, así como la construcción de circuitos con consumos de potencia extremadamente bajos.

Obleas de zafiro de cristal único se utilizan también en la industria como sustrato de semiconductores para la fabricación de dispositivos basados en nitruro de galio (GaN). El uso del zafiro reduce significativamente su costo, ya que su precio es unas siete veces menor que el del germanio al que sustituye. El nitruro de galio sobre zafiro se utiliza comúnmente en los diodos de emisión de luz (LEDs) de color azul.[18]​

Prótesis

El zafiro monocristalino es bastante biocompatible; y presenta un desgaste excepcionalmente bajo trabajando con materiales metálicos, lo que ha dado lugar a la introducción de monocristales de zafiro para prótesis de cadera en Ucrania.[19]​

Véase también

Referencias

  1. «TAG-Heuer Fórmula 1». Consultado el 31 de enero de 2016. 
  2. M.A. Verneuil (September 1904) Memoire sur la reproduction artificielle du rubis per fusion, Annales de Chimie et de Physique
  3. Heaton, Neal; The production and identification of artificial precious stones in Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution, 1911. USA: Government Printing Office. 1912. p. 217. 
  4. Czochralski process. Articleworld.org. Retrieved on 2012-06-18.
  5. Nassau, K.; Broyer, A. M. (1962). «Application of Czochralski Crystal-Pulling Technique to High-Melting Oxides». Journal of the American Ceramic Society 45 (10): 474. doi:10.1111/j.1151-2916.1962.tb11037.x. 
  6. Rubicon Technology Grows 200kg “Super Boule”, LED Inside, 21 April 2009
  7. Karl Wefers, Chanakya Misra. «Oxides and Hidroxides of Aluminum». ALCOA 1987 (en inglés). Consultado el 31 de enero de 2016. 
  8. ↑ Scheel, Hans Jr̲g; Fukuda, Tsuguo (2003). Crystal growth technology (PDF). Chichester, West Sussex: J. Wiley. ISBN 0-471-49059-8. 
  9. Elena R. Dobrovinskaya, Leonid A. Lytvynov, Valerian Pishchik (2009). Sapphire: Materials, Manufacturing, Applications. Springer. p. 3. ISBN 0-387-85694-3. 
  10. «Cermax lamp engineering guide».  (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
  11. Cecie Starr (2005). Biology: Concepts and Applications. Thomson Brooks/Cole. p. 94. ISBN 0-534-46226-X. 
  12. «Gorilla Glass Success, What is Sapphire glass?». Corning Incorporated. 
  13. «Everything You Wanted To Know About Sapphire Glass, But Were Afraid To Ask». 
  14. Mogull, Rich (10 de septiembre de 2013). «The iPhone 5S fingerprint reader: what you need to know». Macworld. IDG. Consultado el 11 de septiembre de 2013. 
  15. https://www.apple.com/iphone-5s/specs/
  16. . Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2015. Consultado el 13 de noviembre de 2014. 
  17. The Wall Street Journal, Apple Sapphire Partner GT Advanced Files for Bankruptcy Protection, by Daisuke Wakabayashi, 6 Oct. 2014
  18. "Gallium nitride collector grid solar cell" (2002) Patente USPTO n.º 6447938
  19. Mamalis, AG; Ramsden, JJ; Grabchenko, AI; Lytvynov, LA; Filipenko, VA; Lavrynenko, SN (2006). «A novel concept for the manufacture of individual sapphire-metallic hip joint endoprostheses». Journal of Biological Physics and Chemistry 6 (3): 113-117. doi:10.4024/30601.jbpc.06.03. 
  •   Datos: Q24960565

Octubre 04, 2021
cristal, zafiro, cristal, zafiro, también, conocido, como, cristal, zafiro, zafiro, sintético, cristal, sintético, misma, composición, química, zafiro, natural, mismas, propiedades, como, elevada, dureza, segundo, mineral, más, duro, tras, diamante, gran, tran. El cristal de zafiro tambien conocido como cristal zafiro o zafiro sintetico es un cristal sintetico con la misma composicion quimica que el zafiro natural y con sus mismas propiedades como elevada dureza es el segundo mineral mas duro tras el diamante y gran transparencia lo que hace que sea muy utilizado en aplicaciones en las que se requieren vidrios de gran dureza y resistencia para evitar el rayado ocasionado en determinados dispositivos por su manipulacion frecuente tales como relojes de pulsera y en un futuro inmediato telefonos moviles Tambien se utiliza ocasionalmente en joyeria aunque no ha reemplazado a las piedras naturales que siguen teniendo precios mucho mas elevados Indice 1 Historia 2 Aplicaciones mas comunes 2 1 Cristal de zafiro 2 2 Sustrato para circuitos de semiconductores 2 3 Protesis 3 Vease tambien 4 ReferenciasHistoria Editar Zafiro sintetico Esfera de un reloj TAG Heuer Indy 500 protegida con cristal zafiro 1 En 1902 el quimico frances Auguste Verneuil desarrollo un proceso para producir cristales sinteticos a partir de alumina 2 En el proceso que lleva su nombre proceso de Verneuil se anade polvo de alumina a una llama oxihidrogenada se dirige hacia abajo contra un sustrato 3 La alumina en la llama es depositada lentamente creando un deposito monocristalino de zafiro en forma de lagrima En el proceso se pueden agregar determinadas impurezas quimicas para crear versiones artificiales del rubi y de todos los demas colores naturales de zafiro Ademas se pueden producir otros colores nunca vistos en las muestras naturales El material del zafiro artificial es identico al de zafiro natural excepto en que se puede fabricar sin los defectos que se encuentran en las piedras naturales La desventaja de proceso de Verneuil es que los cristales generados tienen tensiones internas elevadas lo que los hace muy fragiles Actualmente existen otros metodos de fabricacion de zafiro variaciones del proceso Czochralski que fue inventado en 1916 por el quimico polaco Jan Czochralski 4 En este proceso una pequena semilla de cristal de zafiro se sumerge en un crisol hecho del metal iridio o de molibdeno 5 conteniendo alumina fundida y a continuacion es retirada lentamente hacia arriba a una velocidad de 1 a 100 mm por hora La alumina se cristaliza en el extremo creando largas bolas en forma de zanahoria de gran tamano hasta 200 kg de peso 6 El zafiro sintetico tambien se produce industrialmente a partir de oxido de aluminio aglomerado sinterizado y fusionado mediante prensado isostatico en caliente en una atmosfera inerte produciendo un material policristalino transparente pero ligeramente poroso 7 En 2003 la produccion mundial de zafiro sintetico fue de 250 toneladas 1 25 109 quilates sobre todo por parte de Estados Unidos y Rusia 8 9 La disponibilidad de zafiro sintetico relativamente barato ha facilitado muchos usos industriales para este material unico El primer laser fue fabricado a partir de una varilla de rubi sintetico Los laser de titanio zafiro son populares debido a su capacidad relativamente rara de ser sintonizables a varias longitudes de onda entre el rojo y casi la region infrarroja del espectro luminico posible rango sintonizable es Ti zafiro 650 nm a 1100 nm Tambien pueden ser facilmente conformados para producir pulsos de luz extraordinariamente cortos En estos laseres un cristal de zafiro producido sinteticamente con impurezas de cromo o titanio se irradia con luz intensa de una lampara especial o de otro laser para crear emision estimulada de luz Los sustratos de zafiro sintetico de alta calidad utilizados en nanotecnologia a menudo se llaman cristal azul debido a su caracteristico color azul Aplicaciones mas comunes EditarJunto con la zirconia y el oxinitruro de aluminio el zafiro sintetico se utiliza para vidrios de ventanas resistentes al astillado en vehiculos blindados y para prendas antibalas militares en asociacion con materiales compuestos Un tipo de faros de xenon originalmente denominados Cermax que ahora se conocen genericamente como lamparas de xenon de cuerpo ceramico estan fabricados con cristal de zafiro debido a que tolera mayores cargas termicas y en consecuencia potencias luminicas mas altas que las lamparas de xenon convencionales con cristales de silice puro 10 Cristal de zafiro Editar Una aplicacion del zafiro sintetico es el cristal de zafiro a menudo llamado cristal azul por el color de los zafiros naturales Aqui cristal es un termino ambiguo que no se refiere tanto al estado molecular del material como a su transparencia Este material no solo es altamente transparente a longitudes de onda de luz entre 150 nm luz ultravioleta y 5 500 nm luz infrarroja el ojo humano puede discernir las longitudes de onda de aproximadamente 380 nm a 750 nm 11 sino que tambien es extraordinariamente resistente a los aranazos el zafiro tiene un valor de 9 en la escala de Mohs Los principales beneficios de los vidrios de zafiro son una banda de transmision optica muy amplia del ultravioleta al infrarrojo cercano 150 5 500 nm ser significativamente mas duro que otros materiales opticos o cristales de vidrio estandar una alta resistencia a los aranazos y a la abrasion 9 en la escala de Mohs una de las sustancias mas duras despues de la moissanita carburo de silicio y los diamantes una temperatura de fusion extremadamente alta 2030 C El llamado cristal de zafiro se refiere normalmente al zafiro cristalino utilizado en relojeria y en los telefonos celulares 12 13 Algunos cristales estan fabricados a partir de bolas de zafiro puro que se han hecho crecer con una orientacion cristalina especifica tipicamente a lo largo del eje optico denominado eje c para minimizar su birrefringencia Las bolas se cortan verticalmente en el espesor del vidrio solicitado que finalmente es pulido con el acabado superficial deseado Los cristales de zafiro pueden ser pulidos con una amplia gama de acabados superficiales debido a su estructura cristalina y a su dureza Los acabados superficiales de estos cristales normalmente se denominan de acuerdo con las especificaciones de defectos superficiales adoptadas a nivel mundial MIL O 13830 En principio se iban a utilizar pantallas con cristal zafiro en una serie de productos de Apple iPhone 5s iPhone 6 e iPad mini 3 14 15 16 asi como en el Apple Watch 17 pero finalmente se comercializaron con pantallas de Gorilla Glass en su lugar Sin embargo a partir del modelo 5S el lector de Touch ID y el cristal de la camara posterior estan fabricados con cristal de zafiro Los cristales de zafiro se utilizan en celdas de alta presion para espectroscopia en cristales de relojes de pulsera de alta gama y en los lectores de codigos de barras utilizados en los comercios de alimentacion donde la dureza y tenacidad excepcional del material hacen que sea muy resistente al rayado 8 Tambien se usa en las lentes de algunos tubos laser de alta potencia debido a que su transparencia en banda ancha y su conductividad termica permiten manejar densidades de potencia muy altas en el espectro infrarrojo o ultravioleta sin degradaciones debidas al calentamiento Lampara de Xenon tipo Cermax confinada con cristal zafiro para resistir las elevadas temperaturas Sustrato para circuitos de semiconductores Editar Articulo principal Silicio sobre zafiro Obleas de zafiro delgadas fueron utilizadas como uno de los primeros sustratos semiconductores aislantes sobre el que depositar silicio para conformar circuitos integrados conocidos como silicio sobre zafiro SOS por sus siglas en ingles Silicon On Sapphire Actualmente tambien se utilizan otros sustratos en estos circuitos conocidos generalmente como silicio sobre aislante SOI por sus siglas en ingles Silicon On Insulator Ademas de sus excelentes propiedades de aislamiento electrico el zafiro tiene una alta conductividad termica Circuitos CMOS sobre zafiro son especialmente utiles para aplicaciones de alta potencia en radiofrecuencia RF como las utilizadas en los telefonos celulares comunicaciones por radio y sistemas de comunicacion por satelite La tecnologia de las placas del tipo SOS tambien permite el diseno de sistemas electronicos monoliticos digitales y analogicos en un solo circuito integrado asi como la construccion de circuitos con consumos de potencia extremadamente bajos Obleas de zafiro de cristal unico se utilizan tambien en la industria como sustrato de semiconductores para la fabricacion de dispositivos basados en nitruro de galio GaN El uso del zafiro reduce significativamente su costo ya que su precio es unas siete veces menor que el del germanio al que sustituye El nitruro de galio sobre zafiro se utiliza comunmente en los diodos de emision de luz LEDs de color azul 18 Protesis Editar El zafiro monocristalino es bastante biocompatible y presenta un desgaste excepcionalmente bajo trabajando con materiales metalicos lo que ha dado lugar a la introduccion de monocristales de zafiro para protesis de cadera en Ucrania 19 Vease tambien EditarZafiroReferencias Editar TAG Heuer Formula 1 Consultado el 31 de enero de 2016 M A Verneuil September 1904 Memoire sur la reproduction artificielle du rubis per fusion Annales de Chimie et de Physique Heaton Neal The production and identification of artificial precious stones in Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution 1911 USA Government Printing Office 1912 p 217 Czochralski process Articleworld org Retrieved on 2012 06 18 Nassau K Broyer A M 1962 Application of Czochralski Crystal Pulling Technique to High Melting Oxides Journal of the American Ceramic Society 45 10 474 doi 10 1111 j 1151 2916 1962 tb11037 x Rubicon Technology Grows 200kg Super Boule LED Inside 21 April 2009 Karl Wefers Chanakya Misra Oxides and Hidroxides of Aluminum ALCOA 1987 en ingles Consultado el 31 de enero de 2016 a b Scheel Hans Jr g Fukuda Tsuguo 2003 Crystal growth technology PDF Chichester West Sussex J Wiley ISBN 0 471 49059 8 Elena R Dobrovinskaya Leonid A Lytvynov Valerian Pishchik 2009 Sapphire Materials Manufacturing Applications Springer p 3 ISBN 0 387 85694 3 Cermax lamp engineering guide enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Cecie Starr 2005 Biology Concepts and Applications Thomson Brooks Cole p 94 ISBN 0 534 46226 X Gorilla Glass Success What is Sapphire glass Corning Incorporated Everything You Wanted To Know About Sapphire Glass But Were Afraid To Ask Mogull Rich 10 de septiembre de 2013 The iPhone 5S fingerprint reader what you need to know Macworld IDG Consultado el 11 de septiembre de 2013 https www apple com iphone 5s specs Apple iPad mini 3 Touch ID Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2015 Consultado el 13 de noviembre de 2014 The Wall Street Journal Apple Sapphire Partner GT Advanced Files for Bankruptcy Protection by Daisuke Wakabayashi 6 Oct 2014 Gallium nitride collector grid solar cell 2002 Patente USPTO n º 6447938 Mamalis AG Ramsden JJ Grabchenko AI Lytvynov LA Filipenko VA Lavrynenko SN 2006 A novel concept for the manufacture of individual sapphire metallic hip joint endoprostheses Journal of Biological Physics and Chemistry 6 3 113 117 doi 10 4024 30601 jbpc 06 03 Datos Q24960565Obtenido de https es wikipedia org w index php title Cristal de zafiro amp oldid 129601075, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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