Aus Blei Gold machen kann ich zwar generell auch, aber an den dafür benötigten Großgeräten wird man mir für so einen Schwachfug wohl kaum die entsprechende Strahlzeit zur Verfügung stellen. Daher muss ich wohl Rubine züchten um reich zu werden…  Und außerdem kann man das schön mit Schülerpraktikanten machen.

SpiegelofenGrundsätzlich braucht man dafür erst mal einen Spiegelofen, wie z.B. den hier. Der hat mehrere (2 oder 4) elliptische Spiegel. In dem einen Brennpunkt der jeweiligen Spiegel befindet sich eine 1000-Watt-Halogenlampe. Die jeweils anderen Brennpunkte der Spiegel liegen alle auf einem Punkt, an dem es dann sehr heiß wird… Darum heißt das ganze Spiegelofen oder englisch “mirror furnace”.

Wenn ich nun einen Stab mit polykristallinem Material wie z.B. Silizium durch den Brennpunkt bewege, dann schmilzt dieser polykritalline Barren punktuell auf und wird flüssig. Wenn er sich jetzt auf der anderen Seite wieder aus dem Brennpunkt herausbewegt,  kristallisiert er wieder und wenn ich das ganz langsam mache, dann kristallisiert er nicht wieder in polykristalliner Form, sondern als Einkristall. Wie das mit den Kristallen funktioniert haben wir ja schon bei MartinB in Schnee Eis und Aluminium, die Physik des Kristallwachstums gelernt.

Einkristall heißt hier, dass er eben nicht aus vielen einzelnen unabhängigen Atomgebieten (sog. Körnern) aufgebaut ist, sondern ein großes (mehr oder weniger ungestörtes) Kristallgitter über die ganze makroskopische Länge des Kristalls hat.

Viele kennen aus dem Schulunterricht vielleicht noch Korund. Das ist eine beige Art “Keramik”, die wegen ihrer Reaktionsträge gerne als Tiegel oder ähnliches in der Chemie eingesetzt wird. Korund ist nichts anderes als Al2O3 – also Aluminiumrost. Bei Fahr- oder Motorrädern werden oft Aluminiumzierteile (manchmal mit viel Farbe) eloxiert um ihnen eine Schutzschicht zu geben. Diese Eloxierschicht ist ebenfalls Al2O3, nur in einer anderen Kristallform und diese Eloxierschicht ist so hart, weil sie nahe verwandt ist mit der einkristallinen Form von Al2O3, dem Saphir. Der Saphir ist (bis auf totale Exoten) nach dem Diamanten das härteste, was es so gibt und er hat auch noch eine ganze Menge anderer toller Fähigkeiten. Zum Beispiel ist er elektrisch isolierend, leitet bei tiefen Temperaturen extrem gut die Wärme und filtert schnelle Neutronen.

Einen Saphir kann ich also einfach züchten, indem ich einen polykristallinen Korundstab (für ein paar Euro) in den Spiegelofen packe, ihn punktuell bei 2100°C aufschmelze und ihn in einkristalliner Form rekombinieren lasse. Ein solcher Saphir ist erstmal durchsichtig wie Glas (und tatsächlich wird Saphirglas auch bei Uhren und besonderen Instrumenten eingesetzt) und wenn ich ihn farbig haben will, dann muss ich noch etwas hinzumischen (die Kristallographen sagen dazu “dotieren”). Wenn ich Eisen und Titan hinzumische, wird er blau, mit Eisen allein wird er grün, mit Vanadium gelb und wenn ich Chrom hinzugebe, dann wird der Saphir tatsächlich schön rot und nennt sich von nun an Rubin.

Al2O3dotCr1wtcentTC001

Dies ist ein Bild von dem ersten Rubin, den ich mal mit einem Spiegelofen gezüchtet hatte. Die Länge ist ca 4,5cm und der Durchmesser ca. 7mm und wie man sehen kann, ist er nicht wirklich so perfekt geworden, wie man es auch dem Schmuckgeschäft kennt, sondern er besteht noch aus mehreren einkristallinen Abschnitten. Die Farbe ist mit meiner billigen Handykamera nicht sonderlich gelungen, deswegen kommt hier noch ein weiteres Bild von einem Teil des gleichen Kristall nachdem ich ihn für meine Zwecke bearbeitet hatte.

TbMnO3KB023S652_aUm aus dem Al2O3-Pulver einen vernünftigen Barren zu machen, den man in den Ofen stecken kann, ist auch noch etwas Arbeit erforderlich, aber die ist tatsächlich so einfach, dass man sie ohne Probleme mit Neuntklässlern machen kann, die ihr Schülerpraktikum in den physikalischen Instituten der Uni Köln ableisten.

Der Spiegelofen ist nicht die einzige und sicher nicht die effizienteste Art einen Sapphir herzustellen und mittlerweile sind die Verfahren so weit ausgereift, dass mehrere Zentimeter große Sapphire mit hervorragender Qualität gefertigt werden können und auch wenn er recht schön aussieht und viele tolle Eigenschaften hat, ist der Saphir einer der einfachsten und leider auch langweiligsten Kristalle, die man so herstellen kann … viel toller ist da z.B. SpinEis, Multiferroika, Ruthenate- oder Eisenarsenid-Supraleiter, die für uns noch echt viele Dinge zum Entdecken bereitstellen.

Kommentare (4)

  1. #1 meregalli
    14. Februar 2015

    Ginge das mit Thermit auch?

  2. #2 Tobias Cronert
    14. Februar 2015

    Ich weiß gerade nicht, ob Thermit heißt genug wird. Grundsätlich reden wir hier von ca 2100°C über eine längere zeit hinweg. Eine normale Schweißflamme würde z.B: nciht funktionieren.

    Außerdem muss das polykristalline Material sehr langsam aufgeschmolzen und wieder rekombiniert werden. Ich denke nicht, dass das mit einer chemischen Wärmequelle zu realisieren ist.

  3. #3 Ludger
    14. Februar 2015

    […] mit einer chemischen Wärmequelle zu realisieren […]

    Lagersteine (“jewels”) für Uhren wurden (werden?) nach eniem Verfahren von Verneuil hergestellt: http://www.fhs.ch/berner/?l=de&q=Stein
    Allerdings ist ein Knallgasgebläse weniger was für Schülerpraktika.

  4. #4 Engywuck
    31. Januar 2020

    Eigentlich sollte das doch auch mit Sonnenlicht (und geeigneten Spiegeln und/oder Linsen) gehen, oder?
    Sand lässt sich jedenfalls damit schmelzen, aber der ist ja im Allgemeinen auch stark verunreinigt 🙂