IRIMIA Marilena Georgiana [616443]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI
FACULTATEA DE CHIMIE APLICATĂ ȘI ȘTIINȚA MATERIALELOR
APLICAȚIILE CHIMIEI ÎN EZPERTIZELE JURIDICE

2019

CRISTALE DE
RUBIN

Student: [anonimizat] – Georgiana

2
Cuprins

Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 3
Apariție naturală ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 4
Proprietățile rubinelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 4
Factor ii care afectează valoarea pietrelor prețioase ………………………….. ………………………….. …….. 6
Metoda de creștere a cristalelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 7
Metoda de creștere Czochralski ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 7
Aplicațiile cristalelor de rubin ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 10
Laserul cu rubin ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 10
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 13

3
Introducere

Materialele compozite reprezint ă cea mai avansată clasă de materiale inventate și produse
de om în epoca modernă, precum și o provocare pentru viitor în domeniul performanței științifice
și tehnologice. Ele sunt constituite din cel puțin două faze de natură diferită c are sunt astfel
combinate încât să formeze un material nou cu o combinație superioară de proprietăți. În general,
sunt materiale cu performanțe neobișnuite în privința raportului dintre proprietăți și greutatea
specifică.
Compozitele sunt materiale multifa zice cu o interfață distinctă și bine definită între fazele
constitutive care asigură însă un transfer de proprietăți ce poate să conducă la obținerea unui produs
cu performanțe excepționale față de ale materialelor de pornire. Deoarece materialele omogene
sunt greu de întâlnit în natură și sunt procesate cu dificultate de către om, s -a convenit că
materialele compozite sintetice sunt numai acelea care se obțin printr -un efort special de
influențare a fenomenelor de la interfață.
Materialele compozite cu particule mari sunt constituite dintr -o matrice metalică, ceramică
sau carbonică în care sunt încorporate particule din diverse tipuri de materiale. Printre tipurile
caracteristice de materiale compozite din această grupă se menționează compozitele abraziv e, care
au particulele abrazive înglobate într -o matrice ceramică. Aceste particule abrazive pot fi sub
formă de corindon ( Al 2O3), carbură de siliciu (SiC), nitrura de bor (BN) sau diamant (C) și sunt
utilizate pentru prelucrarea prin abraziune a materia lelor metalice și ceramice.
Corindonul este un oxid natural foarte dur, divers colorat ale cărui varietăți transparente
sunt folosite ca pietre prețioase și poate avea următoarele nuanțe: albastru, galben și uneori roșu.
Una din formele acestui mineral în nuanțe de roșu este rubinul.
Rubinul (din latină rubens, rubinus = roșu, cel roșu) este o piatră prețioasă din familia
corindonului, format din monocristale de oxid de aluminiu (Al 2O3) dopate cu ioni de Cr3+.
Culoarea roșie se datorează ionilor de crom. Numai varietățile roșii se numesc rubine, celelalte
sunt denumite safir sau padparadscha.
Calitatea unui rubin este determinată de culoarea, tăietura și claritatea sa, care , împreună
cu greutatea caratei , îi afe ctează valoarea. Cea mai strălucitoare și cea mai valoroasă nuanță de
roșu numită sânge -roșu sau sânge de porumbei care prezintă un avantaj mare față de alte rubine de
o calitate similară.

4
Apariție naturală

Sursa pr incipală din lume pentru rubine a fost timp de secole Mogok Valea Superioară din
Myanmar (Birmania) . Această regiune a produs niște rubine excepționale, însă în ultimii ani au
fost găsite foarte puține rubine de calitate superioară . În centrul Myanmar, zona Mong Hsu a
început să producă rubine în anii 1990 și a devenit rapid zona principală de exploatare rubinică a
lumii. Cel mai recent depozit rubinic găsit în Myanmar se află în Namya (Namyazeik) , situat în
statul nordic Kachi n .
Din punct de veder e istoric, au fost exploatate rubine în Tha ilanda, în districtul Pailin și
Samlout din Cambodgia, precum și în Afganistan, Australia, Brazilia, Columbia, In dia, Namibia,
Japonia și Scoția. După cel de -al Doilea Război Mondial, depozitele rubinilor au fost găsite în
Madagascar, Nepal, Pakistan, Tadj ikistan, Tanzania și Vietnam.
Republica Macedonia este singura țară din Euro pa continentală care are rubine naturale .
Ele pot fi găsite în pri ncipal în jurul orașului Prilep .
Spinelul , o altă piatră prețioasă roșie, este găsită un eori împreună cu rubine în acela și pietriș
de bijuterie sau marmură. Spelelul roșu poate fi confundat cu rubinul de către cei care nu au
experiență cu pietre prețioase. Cu toate acestea, cele mai fine spineluri roșii pot avea valori
apropiate de cele ale unui rubin mediu.

Propri etățile rubinelor

 Formula chimică: oxid de aluminiu cu crom Al 2O3.Cr;
 Culoare – variată. R oșu (rubin), albastru (safir), galben (topaz oriental), oranj
(padparadscha= floarea de lotus), verde (safirul alb sau leucosafirul). Sub numele de corundum sau
corindon comun sunt cuprinse varietățile puțin transparente, ch iar opace sau cele colorate în
cenușiu, verzui, albăstrui și roșiatic.
Culoarea este în funcție de impuri tăți și de substituția izomorfă. Astfel, amestecurile cu
crom determină o culoare violet roșiatică la rubin, iar intensitatea culorii depinde de cantitatea de
crom. În cele mai roșii (roșu de sânge) rubine din Uniunea Myanmar cromul se găsește în jur de
2-4%, iar în rubinele roz pal conținutul de crom variază până la fracțiuni de procent ( sunt sub 1%).

5
Prin amestec cu ioni cromofori de titan rezultă culoarea cenușie a safirului, cu ioni de fier culoarea
galben -portocalie (padparadscha), cu ioni de fier și mang an varietățile rozii și maronii, iar uneori
apar cristale de corindon cu zonalitate sferică în care se observă alternând zone violacee cu zone
galbene -albăstrui etc.

Caracteristici
Aspectul cristalelor Prisme hexagonale
Șlefuire Concoidală, așchii
Luciu Vitros, sub formă de perle
Urmă Albă
Strălucire Sticlos
Spărtură Sidefie, neregulată
Densitate 3,97 g/cm3 – 4,05 g/cm3
Punct de topire Cca. 2050 oC
Indice de refracție nω=1,768 –1,772, n ε=1,760 –1,763
Birefringență (refracție dublă) 0,008
Radiații UV -VIS Fluorescență
Duritate pe scara Mohs 9,0
Tabel 1. Caracteristicele rubinului

Rubinele au o duritate de 9,0 pe scara Mohs (Tabel 1. ). Printre pietrele naturale doar
diamantul este mai dur având duritatea de 10,0. Rubinul este o α -alumină (forma cea mai stabilă
de Al 2O3), în care o mica fracțiune din ionii de Al 3+ se înlocuiesc cu ioni de Cr 3+. Fiecare ion de
de Cr 3+ este înconjurat de șase ioni de O 2-. Acest aranjament cristalografic afectează puternic
fiecare ion de Cr 3+, care rezultă în absorbția luminii în regiunea galben -verde a spectrului vizibil
și, astfel, în culoarea roșie a cristalului. Când lumina galben -verde este absorbită de Cr 3+, este
reemisă luminescență de culoare roșie. Această emisie roșie adaugă la culoarea roșie percepută de
scăderea de lumină verde și violet de lumină albă, și adaugă luciu la aspectul de piatră prețioasă.

6
Când aranjamentul optic este în așa fel încâ t emisia stimulată de fotoni cu lungimea de undă de
694nm să reflecte înainte și înapoi între cele două oglinzi, emisia crește puternic în intensitate.
Acest efect fost folosit de Theodore Maiman în 1960 pentru a construi primul laser de succes,
bazat pe r ubin.
Toate rubinele naturale prezintă imperfecțiuni , inclusiv impuritățile de culoare și
incluziunile aciculare de rutil cunoscute sub numele de “mătase”. Cei care se ocupă cu studiul
pietrelor prețioase folosesc aceste incluziuni găsite în rubinele natu rale pentru a le distinge de cele
sintetice, simulanți sau înlocuitori. De obicei, piatra aspră este încălzită înainte de tăiere. Aproape
toate rubinele de astăzi sunt tratate termic într -o anumită formă prin cele mai comune practici. C u
toate acestea, înc ă mai există rubine, care sunt complet netratate și prezintă o calitate foarte bună.

Factorii care afectează valoarea pietrelor prețioase

Pietrele prețioase sunt clasificate pe baza criteriilor cunoscute , în număr de patru și anume
culoarea, tăietura, claritatea și greutatea caratelor. Rubinele sunt, de asemenea, evaluate pe baza
celor patru criterii, împreună cu originea lor geografică.
În evaluarea pietrelor prețioase colorate, culoarea este cel mai important factor. Culo area
se împ arte în trei componente: nuanță , saturație și ton . Nuanța se referă la culoare, așa cum folosim
în mod normal termenul. Pietrele prețioase transparente apar în nuanțe spectrale pure de roșu,
portocaliu, galben , verde, albastru, violet. În natur ă, sunt rareori nuanțe pure, deci atunci când
vorbim de nuanța unei pietre prețioase, vorbim despre nuanțe primare și secundare și uneori
terțiare. Ru by este definit ca fiind roșu, iar toate celelalte nuanțe ale corindonului se numesc safir.
Ruby poate pre zenta o gamă de nuanțe secundare, inc lusiv portocaliu, violet și roz (Figura 1.) .

7

Figura 1. Pietre prețioase colorate
Metoda de creștere a cristalelor

Tehnologia de creștere a cristalelor este un domeniu foarte important pentru multe aplicații
din viața de zi cu zi. În ultimii 60 de ani, cele mai multe cereri au fost în domeniul materialelor
electronice și optice. Cristalele pot fi obținute din toate tipurile de material, inclusiv elemente,
aliaje și compuși anorganici, organici și biologici. Compușii po t varia de la simple amestecuri
binare la sisteme multicomponente cu numeroși compuși ce au structuri moleculare sau cristaline
complexe. Ca urmare, metodele de creștere a cristalelor variază mult în funcție de proprietățile
termodinamice și cinetice ale s istemului de interes. Punctul de plecare pentru dezvoltarea unui
proces de creștere a cristalului viabil începe cu o cunoaștere temeinică a relațiilor între faze ale
sistemului din care face parte obiectul investigării.

Metoda de creș tere Czochralski

Obținerea de monocristale de calitate optică este indispensabilă. Actual, creș terea
cristalelor p rin metoda Czochralski este una dintre metodele industriale cele mai utilizate. Printre
altele, această metodă este utilizată pentru creș terea cristalelor de sili ciu sau germaniu, care

8
reprezintă o piață economică uriașă . De asemenea, m etoda Czochralski este utilizată pentru
creșterea unor monocristale oxidice cu aplicaț ii importante în diverse domenii economice sau
științifice, cum sunt de exemplu cristalele rubin (Al 2O3.Cr). Metoda Czochralski face parte din
metodele de creștere a cristalelor din topitură și este aplicabilă compuș ilor care au compoziția în
stare de topitură identică cu compoziția în stare solidă. Alte două metode reprezentative pentru
creșterile din topitură sunt metodele Kyropoulos ș i Bri dgman. Metoda Czochralski diferă de
acestea din urmă prin faptul că interfața lichid – solid nu migrează , cristalul format fiind extras
treptat din topitură .
Metoda Czochralski (Figura 2.) constă în creșterea cristalului prin tragerea pe verticală în
sus a acestuia din topitura aflată într -un creuzet.

Figura 2. Schema montajului utilizat pentru creșterea
cristalelor prin metoda Czochralski

Prin tehnica Czochralski se pot obține materiale oxidice utilizate în aplicații laser și permite
obținerea de cristale cu dimensiuni mari (diametre și lungimi de ordinul zecilor de centimetri)
având calitate opti că suficientă. Materialul sintet izat anterio r se încălzește și apoi se topește după
care un germene monocristalin coboară treptat spre centrul suprafeței de topitură fiind în contact
cu aceasta. Lichidul urcă de -a lungul germenului prin capilaritate cu formarea unui menisc cu
apariția unei interfețe triple lichid – solid – gaz. Pentru a forma monocristalul, germenul se trage
în sus cu viteze mici (1mm/h) rotind continuu monocristalul pentru omogenizare și pentru a
controla forma interfeței solid – lichid.

9
Această metodă este destul de costisitoare, deoarece necesită echipamente sofisticate și
controlarea precisă a tuturor parametrilor termici.
În primul rând, majoritatea oxizilor, printre care și oxidul de aluminiu au puncte de topire
de cca. 2000oC și este nevoie de o încălzire peste aceste tempera turi. Astfel trebuie găsit un creuzet
dintr -un material conductor electric, care poate fi încălzit prin inducție electromagnetică și în
același timp să aibă un punct de topire mai mare cu cel puțin 200 -300oC față de cristalul topit,
pentru a nu se topi și acesta înaintea materialului sintet izat și trebuie să fie inert din punct de vedere
chimic față de compusul topit. Pentru oxizii sau amestecuri cu punct de topire relativ scăzut (sub
1400oC) se pot folosi creuzete de platină, dar pentru majoritatea se folo sesc creuzete de iridiu, care
sunt foarte scumpe, iar în timpul încălzirii acesta se oxidează cu oxigenul din atmosferă motiv
pentru care este nevoie de o încălzire în atmosferă inertă (azot sau argon).
În al doilea rând, cristalul trebuie să fie cât mai regulat, deoarece variațiile diametrului
cristalului în timpul creșterii duce la apariția tensiunilor și a defectelor în acesta. Variațiile
diametrului depind de variația de temperatură la interfața solid -lichid. Acest lucru se poate controla
prin măsurare a temperaturii meniscului prin pirometrie optică, imagistica meniscului sau prin
cântărirea cristalului sau a creuzetului în timpul creșterii (de preferat).
Principalele avantaje ale metodei de creș tere Czochralski sunt:
 adaptabilitate la o mare varietate de cristale;
 oferă o vedere directă a cristalului și a topiturii în timpul creș terii;
 lipsa contactului dintre creuzet ș i cristal;
 facilitează dopajul cristalelor;
 viteza de creș tere m are (de ordinul milimetrilor/oră );
 posibilitatea de a obține monocristale mari ș i de calitate optic ă.

Fiecare cre ștere de monocristale prin metoda Czochralski prezintă opt etape :
 umplerea creuzetului “la rec e” cu material sintet izat relativ poros;
 realizarea contactului germene – topitură prin apropierea lentă a germenului în rotație de
topitură;
 rafinarea cristalului: creșterea unui cristal cilindric cu diametru mai mic față de cel al
germenului inițial;

10
 umărul cristalului: creșterea progresivă a diametrului cristalului până la valoarea dorită, are
formă de trunc hi de con;
 corpul cristalului: cilindru cu diametru menținut constant din care se extrag părțile utile;
 piciorul cristalului: etapă opusă celei de obținere a umărului cristalului, constă în reducerea
treptată a diametrului până la contactul minim dintre cr istal și topitură, desprinderea cristalului se
poate produce în această etapă;
 desprinderea cristalului: mărirea manuală a vitezei de creștere a cristalului până la ruperea
contactului dintre cristal și topitură, urmată de răcire lentă până la temperatura camerei;
 coacerea cristalului recuperat pentru minim 24h la 150 -200oC pentru a relaxa tensiunile
interne și pentru a reduce formarea de fisuri în timpul tăierii sau polisării.

Aplicațiile cristalelor de rubin

Cristalele de rubin se utilizează :
1. Mediu activ î n laser cu rubin;
2. Axa rotițelor din ceasuri de valoare (rubine artificiale) ;
3. Piatră prețioasă

Laserul cu rubin

Laserul este un dispozitiv care emite lumină printr -un proces de amplificare optică bazată
pe emisia stimulată a radiației electromagnet ice. Primul laser a fost construit în 1960 de Theodore
H. Maiman la Hughes Laboratories, bazat pe munca teoretică a lui Charles Hard Townes și Arthur
Leonard Schawlow. Laserul diferă de alte surse de lumină prin emisia luminii coerente.
Într-un dispozitiv laser, atomii sau moleculele mediului activ sunt excitați asfel încât
majoritatea să se găsească într -o stare de energie superioară celei de echilibru. Lumina este o formă
de radiație electromagnetică emisă când unii dintre electronii car e orbitează în jurul nucleului unui
atom cedează o parte din energia lor sub forma fotonilor. Electronii se pot afla, conform modelelor
atomice din mecanica cuantică, în anumite zone distincte localizate în jurul nucleului atomic și
emit energie (fotoni) a tunci când părăsesc o zonă (orbită) exterioară, de energie mai mare, revenind
astfel la starea naturală, de energie mai mică, pe o orbită inferioară. În prealabil atomii trebuie să
își modifice starea naturală de echilibru din punct de vedere energetic, fe nomen care presupune

11
saltul unor electroni pe orbite superioare și care se întâmplă atunci când o substanță este încălzită
(primește energie sub formă de căldură), când este străbătută de un câmp electric intens sau când
este bombardată cu un curent de ele ctroni liberi.
În componența unui laser există în mod uzual 2 oglinzi (Figura 3.) , un mediu activ și un
dispozitiv care realizează pompajul energetic al mediului activ. Mediul activ poate fi solid (de
exemplu un cristal de rubin), gazos (amestec de heliu și neon), dar și din materiale
semiconductoare. Ca exemplu, un laser cu cristal de rubin este alcătuit dintr -un cristal cilindric de
rubin, două oglinzi paralele, argintate sau aurite, și un tub de descărcare, în formă de spirală,
umplut cu un gaz nobil ș i conectat la un condensator de mare capacitate.

Figura 3. Componentele laserului cu rubin

După cum se stie, rubinul es te un oxid de aluminiu care conține mici cantităț i de ioni de
crom. Cilindrul de r ubin utilizat are lungimea de câțiva centimetri și diametrul de câțiva milimetri.
Cele două oglinzi plane ș i paralele , șlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în așa fel încâ t
una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parțial transparentă, ca să poată permite razelor laser
să părăsească instalația. Ele sunt aș ezate la capetele cilindrului de rubin, uneori se metalizează
chiar cape tele cilindrului. Tubul de descărcare, în formă de spirală , umplut cu neon , xenon sau
amestecuri de neon ș i cripton e ste conectat la un condensator și funcționează asemenea blitz -urilor
de la apara tele fotografice. Tubul de descă rcare emite î ntr-un tim p foarte scurt, de ordinul miilor

12
de secundă, o lumină obișnuită, dar intensă, care provoacă inversiunea populațiilor în cristalul de
rubin. În desfăș urarea acestui proces o importanță deosebită îl au impuritățile de crom î nglobate în
cristalul de rubin. Ionii de c rom au trei nivele energetice. În stare normală , ionii de crom au energia
E1 corespunză toare nivelului inferior. Studiu l nivelel or energetice ale cromului arată că dacă se
iradiază cristalul de rubin o parte din ionii de crom din starea normală își vor mări energia datorită
absorbției radiației verzi, trecând într -o stare energetică superioară E3. Î n acest caz ionii de crom
de pe nivelul E1 pot tre ce prin pompaj optic pe nivelul E3.
Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele și laserul cu sticlă dopată cu neodim lucreză în
general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii cuprinse între 0,1 și 100 J.
Laserii cu mediu activ solid pot f i folosiți pentru obținerea impulsurilor optice ultrascurte,
cu intensitate de milioane de W pe durate de ordinul nanosecundelor.
Astăzi laserul cu rubin este folosit doar în dermatologie (eliminarea tatuajelor, pete
pigmentare, etc.), dar descoperirea ace stuia a fost un punct de plecare pentru laserii cu aplicații în
diverse domenii .

13
Bibliografie

 Achim Alexandru Nicolae – “Materiale fotonice cu structură dezordonată pentru
controlul caracteristicilor emisiei și a proprietăților optice nelineare ”, 2011;
 Teofil Gridan – Pietre și metale prețioase , Ed. Enciclopedică, București, 1996
 https://science.howstuffworks.com/laser.htm/printable
 http://www.repairfaq.org/sam/laserfaq.htm#faqilp2
 https://en.wikipedia.org/wiki/Ruby
 https://en.wikipedia.or g/wiki/Ruby_laser
 https://www.scribd.com/document/190919474/Cristalele -Si-Pietrele -Pretioase –
Referat -Chimie