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Lexikon der Geowissenschaften: Hydrothermalsynthese

Hydrothermalsynthese, hydrothermale Kristallzüchtung, Kristallisation aus wäßrigen Lösungen bei Temperaturen über 100°C bis etwa 600°C und erhöhtem Druck bis etwa 3000 bar (0,3 GPa). Damit wird die Züchtung aus wäßrigen Lösungen für Substanzen verwendbar, die normalerweise schwer löslich sind. Die Verbesserung der Löslichkeit ist im wesentlichen auf die Temperaturerhöhung und die eventuelle Verwendung von Zusätzen weiterer Komponenten, sog. Mineralisatoren, zurückzuführen. Die hohen Drücke sind nur eine Begleiterscheinung, entsprechend dem Zustandsdiagramm des Lösungsmittels Wasser. Hydrothermale Lösungen benötigen wie bei der Kristallzüchtung aus Lösungen geringe Temperaturgradienten und haben eine geringe Viskosität. Allerdings ist die Variation der Dichte mit der Temperatur groß, was zu erheblichen Transportleistungen des Systems führt. Für die (0001)-Fläche von Quarz lassen sich z.B. Wachstumsgeschwindigkeiten von bis zu 5 mm/Tag erreichen. Das geschlossene System erlaubt genau kontrollierbare Zusammensetzungen, mit denen sich die Präparation sonst nicht zugänglicher Phasen ermöglichen läßt. Allerdings ist der experimentelle Aufwand mit sicheren Autoklaven recht hoch und die Kristallzüchtung läßt sich nicht während des Wachstumsprozesses verfolgen, sondern das Ergebnis langwieriger Versuche offenbart sich erst nach ihrer Beendigung.

Ein ganz wesentlicher Vorteil hydrothermalsynthetischer Kristalle ist deren völlige Spannungsfreiheit, wodurch ihr technischer Einsatz, insbesondere für Laserkristalle, trotz der überaus hohen Herstellungskosten heute zunehmend an Interesse gewinnt. Ebenso fehlen charakteristische Wachstumsfehler wie Zonarstreifung und Einschlüsse von Tiegelmaterial, wie sie bei Synthesen nach dem Verneuil-Verfahren oder bei Tiegelziehmethoden aus der Schmelze häufig auftreten.

Die Methode wird heute schwerpunktmäßig für die Herstellung von Quarz weltweit angewendet. Dabei wird ein entsprechendes Druckgefäß mit Wasser, Mineralisatorzusätzen und SiO2 gefüllt. Der Füllungsgrad mit Wasser bestimmt über das Zustandsdiagramm den Druck entsprechend der Versuchstemperatur. Das am Boden liegende Vorratsmaterial wird auf einer höheren Temperatur gehalten, gelöst und zu den kälteren Stellen im oberen Teil des Autoklaven transportiert. Dort können Keimkristalle mit vorgegebener Orientierung plaziert sein. Neben Quarz werden eine ganze Reihe von oxidischen Mineralien, Elementen und Chalkogeniden hydrothermal kristallisiert. Das Verfahren erlaubt damit v.a. die Simulation natürlicher Prozesse bei der Bildung von Mineralien und Gesteinen.

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