Mineralizator
Zadaniem mineralizatora jest ułatwienie transportu nierozpuszczalnego „składnika odżywczego” do kryształu zarodkowego za pomocą odwracalnej reakcji chemicznej . Z biegiem czasu kryształ zaszczepiający gromadzi materiał, który był kiedyś w odżywce i rośnie. Mineralizatory to dodatki, które wspomagają rozpuszczanie stałej odżywki. Stosowane w małych ilościach mineralizatory działają jak katalizatory. Zazwyczaj bardziej stabilne ciało stałe krystalizuje się z roztworu, który składa się z mniej stabilnego ciała stałego i rozpuszczalnika. Proces ten odbywa się w procesie rozpuszczania-wytrącania lub krystalizacji.
Wzrost hydrotermalny obejmuje krystalizację rozpuszczonej substancji stałej w podwyższonych temperaturach. Często w grę wchodzą wysokie ciśnienia. Historycznie celem wzrostu hydrotermalnego było wyhodowanie dużych kryształów. Ze względu na ostatnie osiągnięcia w nanotechnologii , małe nanokryształy są obecnie pożądane i wytwarzane przez wzrost hydrotermalny z wielkością kryształów kontrolowaną przez mineralizatory. Różne mineralizatory dają kryształy o różnych rozmiarach i kształtach. Typowymi mineralizatorami są wodorotlenki ( NaOH , KOH , LiOH ), węglany ( Na 2 CO 3 ) i halogenki ( NaF , KF , LiF , NaCl , KCl , LiCl ).
Efekty kationowe
Chociaż zwykle anion mineralizatora jest najbardziej aktywny w rozpuszczaniu materiału odżywczego, w niektórych przypadkach kation również wywiera wpływ. Mineralizator może oddziaływać z zanieczyszczeniami na powierzchni kryształu i zwiększać tempo wzrostu. Na przykład tempo wzrostu szafiru (Al 2 O 3 ) i cynkitu (ZnO) w roztworze zawierającym potas (KOH, K 2 CO 3 ) jest wyższe niż w roztworze zawierającym sód (NaOH, Na 2 CO 3 ) ). Ta różnica nie jest łatwo zrozumiała, ale przypisuje się jej interakcję między potasem a zanieczyszczeniem wchłoniętym na powierzchni.
Aplikacje
Synteza kwarcu
kwarcu stosuje się podstawowe mineralizatory, takie jak NaOH czy Na 2 CO 3 . Prekursorem lub składnikiem odżywczym jest kruszona krzemionka i rozpuszczalnik. Typowe pojemniki są wykonane z hermetycznych stalowych cylindrów zwanych autoklawami , które są odporne na wysoką temperaturę i ciśnienie. W przypadku kryształów kwarcu pojemnik jest podgrzewany do temperatury 300°C (co daje ciśnienie 140 MPA). Bez mineralizatora do rozpuszczenia krzemionki potrzebne są wyższe temperatury. Wodorotlenki i węglany sprawiają, że krzemionka jest bardziej rozpuszczalna, tworząc rozpuszczalne w wodzie krzemiany sodu. Uproszczone równania można przedstawić jako
- SiO 2 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 + H 2 O
- SiO 2 + Na 2 CO 3 → Na 2 SiO 3 + CO 2
Bezwodny krzemian sodu jest polimerowym anionem łańcuchowym składającym się z czworościanów SiO4 w narożnikach . Tworzą hydraty o wzorze Na 2 SiO 3 •nH 2 O, które zawierają dyskretny, w przybliżeniu tetraedryczny anion SiO 2 (OH) 2 2− z wodami hydratacyjnymi . W trójwymiarowym szkle krzemionkowym dodatek jonów sodu powoduje, że jony tlenu tworzą mostek, te jony tlenu mają skuteczny ładunek ujemny. Dodatnio naładowane jony sodu zapewniają częściowo kowalencyjną, a częściowo jonową strukturę. Jako stężenie Na + zwiększa, jonowo związany materiał łączy i ostatecznie tworzy sieć ciągłych kanałów. Po rozpuszczeniu krzemionki, składniki pożywki są przenoszone do kryształu zaszczepiającego, który jest utrzymywany w niższej temperaturze niż pożywka, w wyniku czego powstaje kryształ kwarcu o wysokiej czystości.
Synteza zeolitów
Mineralizatory wodorotlenkowe są również stosowane do kontrolowania stosunku tlenku glinu do krzemionki w zeolitach . Typowa receptura wytwarzania zeolitu obejmuje mineralizator, rozpuszczalnik, kryształ zaszczepiający, pożywkę składającą się z krzemionki (SiO 2 ) i tlenku glinu (Al 2 O 3 ) oraz matrycę. Szablony to kationy, które kierują polimeryzacją anionowych bloków budulcowych w celu utworzenia określonej struktury zeolitu. Różne kationy szablonujące prowadzą do różnych struktur zeolitu. Typowe matryce obejmują tetrametyloamoniowy (TMA), sód (Na + ) i potas (K + ). Różne zeolity można również tworzyć, zmieniając proporcje źródła składników odżywczych, rodzaj mineralizatora lub temperaturę i pH reakcji. Przy wysokim pH tworzą się zeolity o dużej zawartości tlenku glinu, ponieważ wodorotlenki zapobiegają zdolności krzemionki do kondensacji i oligomeryzacji w reakcji pokazanej powyżej. Przy niższym pH preferowane są zeolity o wysokiej zawartości krzemionki.