English translation
Het proces van het produceren van kwarts is al ouder dan je zou denken. In de 19e eeuw werd ontdekt dat je door kwarts onder hoge druk te laten smelten het weer kon laten kristalliseren met behulp van een ‘zaad’ kristal. Men was destijds nog niet in staat om voldoende druk en temperatuur te genereren om goede kwaliteit kwarts te laten groeien, maar het idee was er.
Hoe maak je kwarts?
Laten we eerst eens kijken naar waarom we kwarts willen maken in plaats van winnen uit de natuur. Daar zijn twee goede redenen voor te geven. Allereerst is natuurlijke kwarts niet consistent in samenstelling en zuiverheid. We zeggen altijd wel dat bergkristal de zuivere en kleurloze variant van het mineraal kwarts is, maar dat stukje zuiverheid is niet 100% zuiver silicium en zuurstof. Ook in kleurloze kwarts zitten ‘verontreinigingen’ van andere elementen, zoals aluminium, ijzer, chloor, calcium, fluor, etc. Bij een geproduceerde kwarts is de zuiverheid te meten en te beïnvloeden en heeft alle kwarts die je maakt gegarandeerd dezelfde samenstelling en zuiverheid. Een tweede reden is dat de natuurlijke bronnen eindig zijn en je afhankelijk bent van de voorraad in je mijnen en de kwaliteit van de stukken die je kunt vinden. Voor gebruik in de industrie is zeer zuivere kwarts nodig en daar is niet voldoende van voorradig om aan de vraag te voldoen.
Synthetische kwarts werd in eerste instantie geproduceerd voor industriële doeleinden. Nadat men ontdekte dat het piëzo-elektrische1 eigenschappen heeft en op een vaste frequentie oscilleert wanneer er spanning op staat zag men al snel allerlei nuttige doeleinden voor kwarts. Het was ideaal om te gebruiken in uurwerken en later in communicatieapparatuur. Hoe geavanceerder en veelvuldiger de toepassingen werden, hoe groter de vraag naar grote hoeveelheden gegarandeerd zuivere kwarts.
Kwarts wordt geproduceerd in een autoclaaf. Dat is te vergelijken met een snelkookpan waarin druk en temperatuur gecontroleerd opgevoerd kunnen worden. Misschien ken je de autoclaaf als hulpmiddel om in het ziekenhuis gebruikte gereedschappen te steriliseren. Een autoclaaf waarin kwarts gemaakt wordt is echter vele malen groter en sterker dan deze autoclaven. Stel je een stalen buis voor van zo’n 120 centimeter doorsnede en meer dan 12 meter hoogte. De wanden zijn bijna 30 centimeter dik. In deze buis bevinden zich twee compartimenten. In de onderste wordt natuurlijke kwarts gesmolten bij een temperatuur van zo’n 400 graden (de zeer hoge druk zorgt er voor dat kwarts bij een lagere temperatuur al smelt). In het bovenste compartiment bevinden zich rekken met zogenaamde zaad/seed kristallen. Dit zijn 1 mm dunne plakken voorgeproduceerde zuivere kwarts. Het hete opgeloste kwartsmengsel stijgt op (convectie) en komt zo in het bovenste compartiment. Op deze zaadkristallen groeit vanuit het hete mengsel onder zeer hoge druk bij ongeveer 350 graden nieuwe kwarts met een snelheid van een halve mm per dag. Dat klinkt langzaam, maar in een half jaar wordt zo een perfect zuiver kristal gemaakt dat geschikt is om te gebruiken. Daar doet de natuur vele millennia over. Deze manier van groeien vanuit een warme/hete oplossing noemen we ‘hydrothermaal’. Dit hele proces is van begin tot eind gecontroleerd en gericht op het verkrijgen van zo zuiver en uniform mogelijke kwarts. De kwarts die gebruikt wordt om te smelten is wel natuurlijk en wordt ‘lascas’ genoemd. Deze wordt onderverdeeld in 5 ‘grades’ of zuiverheden. De hoogste zuiverheid is de meest heldere, maar deze is niet geschikt om te gebruiken. Er zit namelijk te veel aluminium in. De 2e en 3e grade worden het meeste gebruikt om te smelten. Deze lascas is op het oog weinig aantrekkelijk. Het zijn witte opake massieve brokken kwarts en geen mooie kristallen. De meeste lascas komt uit Madagascar en Brazilië.
Geschiedenis
Zoals al gezegd is men in de 19e eeuw begonnen met experimenteren hoe kwarts te laten groeien. De Duitser Karl Emil von Schafthäutl ontdekte in 1845 dat hij onder druk een kwartskristal kon laten ontstaan uit een silicarijk mengsel. Het duurde 8 dagen voordat hij een minuscuul kristal had verkregen. Hij had nog niet de beschikking over een goede autoclaaf en zijn hogedruk apparaat was vergelijkbaar met een snelkookpan op vuur gebaseerd op het ontwerp van de Fransman Papin. Het voordeel van werken onder hoge druk is dat met lagere temperatuur dezelfde resultaten worden verkregen dan onder normale druk met zeer hoge temperatuur. Na het resultaat van Schafthäutl gingen een aantal scheikundigen en mineralogen aan de slag met zijn idee en het toevoegen van verschillende stoffen aan de oplossing. Niet alle met evenveel succes. Pas begin 20e eeuw slaagde de Italiaan Giorgio Spezia er in om een enigszins bruikbaar stukje kwarts te produceren. Inmiddels had Pierre Curie met zijn broer de piëzo-elektrische eigenschap van kwarts ontdekt en werd stukje bij beetje duidelijk dat kwarts zeer nuttige eigenschapen had voor nieuwe technologieën. De bekendste toepassing is die van het kwartskristal in een uurwerk. Door de zeer gelijkmatige vibratie van kwarts kon men uurwerken nauwkeurig op tijd laten lopen. Ook was het zeer geschikt voor gebruik in communicatie apparatuur. Toen de Tweede Wereldoorlog uitbrak steeg de vraag naar kwarts exponentieel. Duitsland en de VS werden koploper in het produceren van zuivere synthetische kwarts. Toch slaagden ze er niet in om dit in bruikbaar formaat en in grote hoeveelheden te maken. Pas na de oorlog slaagde men er in om dit op industriële schaal te doen. De grootste producenten waren Engeland, de VS, Rusland en Japan.
Lab-grown kwartsclusters
De laatste jaren is de synthetische productie van kwarts ook ingezet voor het maken van kwartsclusters voor de handel/verzamelaarsmarkt. Deze synthetische of ‘lab-grown’ clusters zijn verkrijgbaar in allerlei kleuren en worden helaas vaak aangeboden als ‘natural quartz cluster’. De paarse moeten doorgaan voor amethist, de gele voor citrien, de groene voor chloriet of phantom quartz. Ze zijn er zelfs in roze en blauw. Het maakproces van deze clusters is deels vergelijkbaar met de hierboven beschreven industriële kwarts, maar er zijn ook een paar verschillen. De basis van zo’n cluster is niet een flinterdun kwartsplaatje. De basis wordt gemaakt door een soort wit cement te mixen met kleine kwartsbrokjes. In dit mengsel worden een paar natuurlijke kwartskristallen gestoken. Dan wordt het geheel in een autoclaaf gezet met kwarts/lascas opgelost in een alkalihoudende basis en groeit er een synthetische kwartslaag om de natuurlijke punten.
Onderzoek naar deze kwartsclusters laat zien dat veel kenmerken van de synthetische kwarts overeenkomen met natuurlijke kwarts. Denk daarbij aan hardheid, refractie en soortelijk gewicht. Er zijn echter ook een paar verschillen aan te wijzen. Omdat natuurlijke kwarts in een ongecontroleerd omgeving groeit en tijdens de groei blootstaat aan verschillende omstandigheden en invloeden is de buitenlaag van natuurlijke kwarts wat poreus. Dit zie je niet met het blote oog. Maar wanneer je zou kijken met een microscoop zie je bijvoorbeeld ingesloten verontreinigingen, negatieve kwartsgroei en bubbels. Bij synthetische kwarts is dit aanzienlijk minder. Hier heb je als leek helaas weinig aan, want we moeten het doen met kenmerken die we met ons blote oog kunnen beoordelen.
Gelukkig zijn er een paar dingen waaraan we deze lab-grown kwarts kunnen herkennen. De recente Chinese clusters zijn vrij uniform in uiterlijk. Ze hebben een witte cement basis van waaruit radiaal een aantal grote punten steken. Deze cementbasis en ook de (onderkant van) de punten zijn overgroeid met honderden piepkleine en soms vlijmscherpe kristalletjes. De kristallen zelf ogen op de lange vlakken wat slordig, ze bezitten niet de nette striatie (horizontale lijntjes) die een natuurlijke kwartspunt heeft. Op een lab-grown punt is deze striatie slordig of afwezig. Als je er tegenaan tikt klinkt het anders dan natuurlijke kwarts, meer glas-achtig.
De kleuren zijn, afgezien van de kleurloze variant, onnatuurlijk en vertonen soms erg donkere fantomen die vaak niet de groeivorm van een kristal perfect volgen, zoals bij natuurlijke fantomen. De clusters hebben meestal geen matrix (moedergesteente) aan de onderkant. Dat laatste gezegd hebbende is er inmiddels ook een variant waarbij de kristallen zijn gegroeid op een stuk natuurlijk gesteente. Deze beschrijving geldt alleen voor de clusters die recent vanuit China op de markt zijn gekomen.
Er bestaat ook oudere (Russische) synthetische kwarts in clusters. Deze is vaak paars en gaat door voor amethist. Deze lab-grown kwarts is een stuk lastiger te onderscheiden van echt. Gelukkig is deze relatief zeldzaam in de handel en liggen de prijzen hiervan vrij hoog.
Naast de industrie was het onvermijdelijk dat ook juweliers en slijpers deze kwarts ontdekten en gingen gebruiken als vervanging voor natuurlijke kwarts. Door toevoeging van bepaalde elementen als mangaan en ijzer kon de kwarts gekleurd worden en doorgaan voor bijvoorbeeld citrien of amethist en later zelfs ametrien. Deze synthetische kwarts is, wanneer het éénmaal geslepen is, lastig te onderscheiden van echt. Dit kan alleen met specialistische apparatuur.
1 Piëzo-elektriciteit: Dit ontstaat doordat de kristallen een elektrische spanning produceren als ze onder druk gezet worden en buigen. Daardoor komen beide uiteinden van de steen onder een verschillende lading, net als bij een magneet. Omgekeerd werkt dit ook, een piëzo-elektrisch kristal dat onder spanning gezet wordt zal iets verbuigen. Dit laatste is hoe kwarts meestal wordt ingezet in onder meer uurwerken, wanneer het onder spanning komt te staan oscilleert het exact met 32.768 keer per seconde. Naast kwarts hebben toermalijn en topaas ook deze eigenschap.
Bronnen:
https://www.rockngem.com/how-is-synthetic-quartz-made/
https://web.archive.org/web/20180417133727id_/http://www.minersoc.org:80/pages/Archive-MM/Volume_29/29-217-858.pdf
Historical review of quartz crystal growth. F. Iwasaki, H. Iwasaki. April 2002
Journal of Crystal Growth 237
ndk.com
Puffins and Pies 