طريقة فيرنوي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

تُعدّ طريقة فيرنوي ( أو عملية فيرنوي أو تقنية فيرنوي )، والمعروفة أيضًا باسم صهر اللهب ، أول طريقة ناجحة تجاريًا لتصنيع الأحجار الكريمة الاصطناعية، وقد طوّرها الكيميائي الفرنسي أوغست فيرنوي في أواخر عام 1883 [ 1 ] . تُستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي لإنتاج أنواع الياقوت الأحمر والياقوت الأزرق والبادبارادشا من الكوروندوم ، بالإضافة إلى بدائل الماس مثل الروتيل وتيتانات السترونتيوم والإسبينيل. تعتمد هذه العملية على صهر مادة مسحوقة ناعمًا باستخدام لهب الأكسجين والهيدروجين ، ثم بلورة القطرات المنصهرة على شكل بلورة . تُعتبر هذه العملية الخطوة التأسيسية لتكنولوجيا نمو البلورات الصناعية الحديثة ، ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع حتى يومنا هذا. [ 2 ] [ 3 ]

تاريخ

رسم تخطيطي لفرن قديم استخدمه فيرنوي لتصنيع الياقوت باستخدام عملية فيرنوي.

منذ بدء دراسة الخيمياء ، بُذلت محاولات لإنتاج الأحجار الكريمة صناعيًا، وكان الياقوت ، باعتباره أحد الأحجار الكريمة الأساسية النفيسة ، مرشحًا رئيسيًا منذ زمن طويل. في القرن التاسع عشر، تحققت إنجازات كبيرة، حيث تم تكوين أول ياقوتة عن طريق صهر ياقوتتين صغيرتين معًا عام 1817، وتم إنشاء أول بلورات مجهرية من الألومينا ( أكسيد الألومنيوم ) في المختبر عام 1837. [ 4 ] بحلول عام 1877، ابتكر الكيميائي إدموند فريمي طريقة فعالة لتصنيع الياقوت تجاريًا باستخدام حمامات منصهرة من الألومينا، مما أدى إلى إنتاج أول أحجار كريمة صناعية بجودة الأحجار الكريمة. أصبح الكيميائي الباريسي أوغست فيرنوي، الذي تقدم للعمل مع فريمي في سن السابعة عشرة، مساعدًا له عام 1876 وساعد في تطوير الطريقة، [ 4 ] لكنه سرعان ما انطلق بشكل مستقل لتطوير عملية الصهر باللهب، والتي ستحمل اسمه في النهاية.

كان ظهور الياقوت الصناعي الذي باعه تاجر جنيفي مجهول عام 1885 أحد مصادر إلهام فيرنوي لتطوير طريقته الخاصة. [ 4 ] وقد اعتُبر هذا "الياقوت الجنيف" صناعيًا في ذلك الوقت، لكن يُعتقد الآن أنه أول ياقوت تم إنتاجه بتقنية الصهر باللهب، أي قبل عمل فيرنوي بعدة سنوات. بعد أن عرّفه عالم معادن في متحف التاريخ الطبيعي في باريس على "ياقوت جنيف"، توصل فيرنوي إلى استنتاج مفاده أنه من الممكن إعادة بلورة أكسيد الألومنيوم المطحون ناعمًا إلى حجر كريم كبير. هذا الإدراك، إلى جانب توفر شعلة الأوكسي هيدروجين التي طُوّرت حديثًا والطلب المتزايد على الياقوت الصناعي، دفعه إلى تصميم فرن فيرنوي، حيث يتم صهر أكسيد الألومنيوم والكروم النقي المطحون ناعمًا بواسطة لهب لا تقل درجة حرارته عن 2000 درجة مئوية (3630 درجة فهرنهايت) ، ثم إعادة بلورته على دعامة أسفل اللهب، مما ينتج عنه بلورة كبيرة. قام فيرنوي بتوثيق عمله في وثائق مختومة خلال تسعينيات القرن التاسع عشر وأعلن عن عمله علنًا في عام 1902، ونشر تفاصيل توضح العملية في عام 1904. [ 4 ]  

بحلول عام 1910، توسع مختبر فيرنوي ليصبح منشأة إنتاج تضم 30 فرنًا، حيث بلغ الإنتاج السنوي من الأحجار الكريمة باستخدام عملية فيرنوي 1000 كيلوغرام (2200 رطل) في عام 1907. وبحلول عام 1912، وصل الإنتاج إلى 3200 كيلوغرام (7100 رطل) ، واستمر ليصل إلى 200000 كيلوغرام (440000 رطل) في عام 1980 و 250000 كيلوغرام (550000 رطل) في عام 2000، بقيادة مصنع هراند دجيفاهيردجيان في مونثي ، سويسرا ، الذي تأسس عام 1914. أما أبرز التحسينات التي أُدخلت على العملية فقد تحققت عام 1932 على يد إس كيه بوبوف ، الذي ساهم في ترسيخ القدرة على إنتاج الياقوت عالي الجودة في الاتحاد السوفيتي على مدى العشرين عامًا التالية. كما تم إنشاء قدرة إنتاجية كبيرة في الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما لم تكن المصادر الأوروبية متاحة، وكان هناك طلب كبير على المجوهرات لاستخداماتها العسكرية مثل الساعات.        

صُممت هذه العملية في الأساس لتصنيع الياقوت، الذي أصبح أول حجر كريم يُنتج على نطاق صناعي. مع ذلك، يمكن استخدام عملية فيرنوي لإنتاج أحجار أخرى، بما في ذلك الياقوت الأزرق الذي يتطلب استخدام أكاسيد الحديد والتيتانيوم بدلاً من أكسيد الكروم. [ 4 ] يمكن استخدام العملية الأساسية لتكوين أحجار كريمة أكثر تعقيدًا، مثل الياقوت النجمي ، حيث يُضاف ثاني أكسيد التيتانيوم (التيتانيا ) وتُترك الكرة في الحرارة لفترة أطول، مما يسمح بتبلور إبر الروتيل داخلها. في عام 1947، كانت شركة ليندي لمنتجات الهواء، التابعة لشركة يونيون كاربايد، رائدة في استخدام عملية فيرنوي لإنتاج هذا النوع من الياقوت النجمي، [ 5 ] إلى أن توقف الإنتاج في عام 1974 بسبب المنافسة الخارجية.

على الرغم من بعض التحسينات التي طرأت على الطريقة، إلا أن عملية فيرنوي ظلت دون تغيير يُذكر حتى يومنا هذا، محافظةً على مكانتها الرائدة في تصنيع أحجار الكوروندوم والإسبينيل الاصطناعية . وقد واجهت هذه العملية انتكاسة كبيرة عام 1917، عندما قدم يان تشوخرالسكي عملية تشوخرالسكي ، التي وجدت تطبيقات عديدة في صناعة أشباه الموصلات ، حيث تتطلب جودة بلورات أعلى بكثير مما يمكن أن تنتجه عملية فيرنوي. وظهرت بدائل أخرى لهذه العملية عام 1957، عندما قدمت مختبرات بيل العملية الحرارية المائية ، وفي عام 1958، عندما قدم كارول تشاتام طريقة الصهر . وفي عام 1989، طور لاري بي كيلي من شركة ICT نسخة معدلة من عملية تشوخرالسكي، حيث يُستخدم الياقوت الطبيعي كمادة أولية.

عملية

رسم تخطيطي مبسط لعملية فيرنوي
كرة صغيرة من الياقوت، لا تزال متصلة بالقضيب، تم إنتاجها بواسطة عملية فيرنوي

يُعدّ الحصول على مادة أولية عالية النقاء، بنسبة نقاء لا تقل عن 99.9995%، أحد أهم العوامل الحاسمة في نجاح عملية تبلور الأحجار الكريمة الاصطناعية. [ 6 ] في حالة تصنيع الياقوت الأحمر أو الياقوت الأزرق أو حجر البادبارادشا ، تكون هذه المادة هي الألومينا. ويُعدّ وجود شوائب الصوديوم غير مرغوب فيه على وجه الخصوص، لأنه يجعل البلورة معتمة . [ 6 ] ولكن نظرًا لأن البوكسيت الذي تُستخرج منه الألومينا غالبًا ما يكون عبر عملية باير (التي تتضمن في مرحلتها الأولى إضافة الصودا الكاوية لفصل أكسيد الألومنيوم Al₂O₃ ) ، يجب إيلاء اهتمام خاص للمادة الأولية. [ 7 ]

بحسب اللون المطلوب للبلورة، تُضاف كميات صغيرة من أكاسيد مختلفة ، مثل أكسيد الكروم للياقوت الأحمر، أو أكسيد الحديديك والتيتانيا للياقوت الأزرق. تشمل المواد الأولية الأخرى التيتانيا لإنتاج الروتيل، أو أكسالات التيتانيل المزدوجة لإنتاج تيتانات السترونتيوم. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام بلورات صغيرة عديمة القيمة من المنتج المطلوب.

تُطحن هذه المادة الأولية طحنًا ناعمًا، وتوضع في وعاء داخل فرن فيرنوي، مع وجود فتحة في أسفله تسمح للمسحوق بالخروج عند اهتزاز الوعاء. أثناء خروج المسحوق، يُضخ الأكسجين إلى الفرن، وينتقل مع المسحوق عبر أنبوب ضيق. يقع هذا الأنبوب داخل أنبوب أكبر يُضخ إليه الهيدروجين . عند نقطة التقاء الأنبوب الضيق بالأنبوب الأكبر، يحدث الاحتراق ، مع لهب تصل درجة حرارته إلى 2000 درجة مئوية (3630 درجة فهرنهايت) على الأقل في مركزه. عندما يمر المسحوق عبر اللهب، ينصهر إلى قطرات صغيرة تسقط على قضيب دعم طيني موضوع أسفله. تُشكّل القطرات تدريجيًا مخروطًا متلبدًا على القضيب، وتكون قمته قريبة بما يكفي من المركز ليبقى سائلًا. عند تلك القمة تتشكل البلورة الأولية في النهاية. مع سقوط المزيد من القطرات على القمة، تبدأ بلورة واحدة ، تُسمى " الكرة" ، في التكوّن، ويُحرّك الدعامة ببطء إلى الأسفل، مما يسمح لقاعدة الكرة بالتبلور، بينما يبقى غطاؤها سائلًا دائمًا. تُشكّل البلورة على شكل أسطوانة مدببة، يتسع قطرها كلما ابتعدنا عن القاعدة، ثم يثبت تقريبًا عند نقطة معينة. ومع استمرار تزويدها بالمسحوق وسحب الدعامة، يمكن الحصول على بلورات أسطوانية طويلة جدًا. بعد إخراجها من الفرن وتركها لتبرد، تُشق البلورة على طول محورها الرأسي لتخفيف الضغط الداخلي، وإلا ستكون البلورة عرضة للكسر عند انكسار الساق بسبب مستوى الفصل الرأسي . [ 8 ]  

عند وضع الخطوط العريضة لهذه العملية، حدد فيرنوي عددًا من الشروط الأساسية للحصول على نتائج جيدة. تشمل هذه الشروط: درجة حرارة اللهب التي لا تتجاوز الحد اللازم للانصهار؛ والحفاظ على المنتج المنصهر دائمًا في نفس الجزء من لهب الأكسجين والهيدروجين؛ وتقليل نقطة التلامس بين المنتج المنصهر والدعامة إلى أصغر مساحة ممكنة. يبلغ متوسط ​​قطر البلورة المنتجة تجاريًا باستخدام هذه العملية 13 ملم (0.51 بوصة) ، ويتراوح طولها بين 25 و50 ملم (0.98 إلى 1.97 بوصة) ، ويبلغ وزنها حوالي 125 قيراطًا (25.0 غرامًا) . يمكن أيضًا إجراء هذه العملية باستخدام بلورة بذرة موجهة خصيصًا لتحقيق توجيه بلوري محدد مرغوب فيه .     

الكوروندوم الصناعي

تُعدّ البلورات المُنتجة بعملية فيرنوي مُكافئة كيميائيًا وفيزيائيًا لنظيراتها الطبيعية، وعادةً ما يتطلب التمييز بينهما تكبيرًا عاليًا. ومن السمات المميزة لبلورات فيرنوي ظهور خطوط نمو منحنية (خطوط مُنحنية) [ 9 ] ، حيث تنمو البلورة الأسطوانية لأعلى في بيئة ذات تدرج حراري عالٍ ، بينما تكون الخطوط المُماثلة في البلورات الطبيعية مستقيمة. ومن السمات المميزة الأخرى وجود فقاعات غازية مجهرية تتشكل نتيجةً لزيادة الأكسجين في الفرن؛ أما العيوب في البلورات الطبيعية فهي عادةً شوائب صلبة. [ 8 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ فيرنويل ، أوغست (20 فبراير 1891). "الأخبار الكيميائية ومجلة العلوم الفيزيائية" [ مترجمة من الفرنسية Revue Générale des Sciences Pures et Appliquées المجلد 2، العدد 1، 15 يناير 1891 ] : 96.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  2. ^ دوبروفينسكايا ، إيلينا ر. ليتفينوف، ليونيد أ. بيشيك، فاليريان (2009). الياقوت: المواد والتصنيع والتطبيقات . سبرينغر العلوم والإعلام التجاري. رقم ISBN 9780387856957.
  3. ↑ بيليج، جوشوا (2016). "الانتشار في بلورات الألومينا الأحادية" (ملف PDF) . الانتشار في السيراميك . ميكانيكا المواد الصلبة وتطبيقاتها. المجلد 221. سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. الصفحات 113-177 . doi : 10.1007/978-3-319-18437-1_11 . ISBN   978-3-319-18436-4.
  4. 1 2 3 4 5 هاريس، دانيال سي. (25-09-2003). توستيسون، راندال دبليو. (محرر). "لمحة عن تاريخ نمو بلورات الياقوت" . وقائع SPIE : 1. doi : 10.1117/12.501428 .
  5. ↑ "ياقوت ونجوم زمرد صناعي من إنتاج شركة Wiede's Carbidwerk، فرايونغ، ألمانيا | الأحجار الكريمة وعلم الأحجار الكريمة" . www.gia.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 31 مارس 2025. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أبريل 2025 .
  6. 1 2 بهات، إتش إل (2014). مقدمة في نمو البلورات: المبادئ والتطبيق . مطبعة سي آر سي. ص 173. ISBN  9781439883303.
  7. ↑ كيلي، جيمس ليزلي (1962). "دراسة لتأثيرات شوائب عملية باير على تبلور ثلاثي هيدرات الألومينا" . رسائل وأطروحات جامعة ولاية لويزيانا التاريخية . رسالة مقدمة إلى قسم الدراسات العليا في جامعة ولاية لويزيانا وكلية الزراعة والميكانيكا، استكمالاً لمتطلبات الحصول على درجة دكتوراه الفلسفة في قسم الهندسة الكيميائية: جامعة ولاية لويزيانا وكلية الزراعة والميكانيكا. doi : 10.31390/gradschool_disstheses.761 . S2CID 103735465 . 
  8. 1 2 "طريقة فيرنوي / الصهر باللهب" . موقع Gemstone Buzz. مؤرشف من الأصل بتاريخ 21 نوفمبر 2008.
  9. ↑ هيوز، آر دبليو؛ كويفولا، جي آي (2005). "منحنيات خطيرة: إعادة فحص كوروندوم فيرنوي الاصطناعي" . ruby-sapphire.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2025-04-06 . تم الاسترجاع بتاريخ 2025-04-06 .
  • ناساو، ك. (أكتوبر 1969). ""ياقوتة مُعاد بناؤها" أو "ياقوتة جنيف". مجلة نمو البلورات . 5 (5): 338-344 . Bibcode : 1969JCrGr...5..338N . doi : 10.1016/0022-0248(69)90035-9 .
  • هاريس، دي سي (سبتمبر 2003). "لمحة عن تاريخ نمو بلورات الياقوت" . في: توستيسون، راندال دبليو (محرر). تقنيات النوافذ والقباب، المجلد الثامن . المجلد  5078. الصفحات 1-11 . رمز Bibcode : 2003SPIE.5078....1H . doi : 10.1117/12.501428 . S2CID 109528895 .  {{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
  • ليفين، آي إتش (يونيو 1913). "تخليق الأحجار الكريمة". مجلة الكيمياء الصناعية والهندسية . 5 (6): 495-500 . doi : 10.1021/ie50054a022 .
  • شيل، إتش جيه (أبريل 2000). "الجوانب التاريخية لتكنولوجيا نمو البلورات". مجلة نمو البلورات . 211 ( 1-4 ): 1-12 . Bibcode : 2000JCrGr.211....1S . doi : 10.1016/S0022-0248(99)00780-0 .
  • إيميل، د. (مايو 2005). "ما هي طريقة إنتاج الياقوت الصناعي؟" (ملف PDF) . مجلة جامع الصخور . 105 (5): 6-8 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 25 أكتوبر 2005.
  • RT Liddicoat Jr., Gem , McGraw-Hill AccessScience, January 2002, Page 2.