Synthetische Steine sind laut der weltweit anerkannten Bezeichnungsvorschriften: "... Kristallisierte und rekristallisierte Produkte, deren Herstellung ganz oder teilweise durch den Menschen veranlasst wurde. Ihre chemische Zusammensetzung, ihre Kristallstruktur und/oder ihre physikalischen Eigenschaften stimmen weitgehend mit denen von natürlichen Vorbildern überein."
Damit werden sie eindeutig von Imitationen, Nachbildungen (z.B. geklebte oder zusammengesetzte Steine) und künstlichen Produkten ohne Vorbildern getrennt. Synthese ist also das Nachbilden von Kristallen aus der Natur. Dies kann in vielen (auch hier aufgeführten) Methoden geschehen. Wenn sie selber Kristalle herstellen wollen schauen sie einfach unter "Zuhause Synthese betreiben" nach.

Einschub: Voraussetzungen für das Kristallwachstum Die Entstehung der Kristalle hängt von vielen Parametern ab. Eine kleine Veränderung eines Parameters, kann das Wachstum beträchtlich beeinflussen. So kann auch eine Änderung eines anderen Parameters die erste wieder rückgängig machen. Solche Wachstumsparameter sind Temperatur und Druck, Keimbasis, System (geschlossen oder nicht geschlossen) und physikalische, äußere Einwirkungen. Bei den industriellen Zuchtverfahren wird häufig versucht, die Wachstumsbedingungen der einzelnen Kristallarten nachzubilden. Da diese oftmals hohen Druck und hohe Temperaturen erfordern, werden bei den Zuchtverfahren verschiedene Tricks angewendet, die die Synthese erleichtern können (z.B. Metallbeimischung bei der Diamantensynthese um den Schmelzpunkt zu erniedrigen).
Bei "Heimmethoden" ist die Nachbildung solcher Bedingungen natürlich nicht möglich. Deshalb gibt es hier andere Parameter, die zu beachten sind, die Konzentration der Lösung, die Zimmertemperatur und die Bewegung des Glases bzw. Gefäßes (was oftmals unumgänglich ist). Man kann allerdings auch mit anderen Sachen experimentieren. Zum Beispiel zu der Lösung Salzsäure oder Essig zugeben, um klarere Kochsalzkristalle herzustellen.

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Durch erhöhte Nachfrage an perfekten und gleichzeitig billigen Edelsteinkristallen, am Ende des 18. Jahrhunderts, wurde viel Wert auf die Entwicklung der Edelsteinsynthese gelegt. Schon im Mittelalter versuchten Alchimisten Edelsteine zu "zaubern". Aber erst die Erkenntnis über die Zusammensetzung der Mineralien konnte bessere Voraussetzungen für die Entwicklung von Zuchtmethoden liefern. 1823 versuchte Silliman einen Diamanten zu erzeugen, 1848 stellte Gaudin kleine Rubin-Kristalle her und 1848 erhielt Ebelman die ersten Zuchtsmaragde. Doch qualitative und schleifwürdige Zuchtkristalle wurden erst 1892 von August Verneuil mit seinem tiegelfreien Flammenschmelzverfahren gezüchtet. Dieses war die Revolution in der Geschichte der Edelsteinsynthese.
In der Zeit des 2. Weltkrieges wurde die Entwicklung der Synthese kaum gefördert, nach 1950 jedoch wurde sie, parallel zur technischen Entwicklung, wieder schnell vorangetrieben.

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Es gibt viele verschiedene industrielle Zuchtverfahren. Sie werden im allgemeinen in drei Gruppen unterschieden:
Züchtung aus der Schmelze (z.B. Verneuil-Verfahren, Czochalski-Verfahren, Methode des Kalten Tiegels), Züchtung aus Lösungen (z.B. das Hydrothermal-Verfahren) und keramische Verfahren.
Die wichtigsten Zuchtverfahren werden hier beschrieben.

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Das Czochralski-Verfahren beruht - im Gegensatz zu dem Verneuil-Verfahren - auf dem Schmelzen im Tiegel. Damit werden Einkristalle hergestellt, deren Substanzen einen Schmelzpunkt von über 1500°C haben. Diese Verfahren wurde zum ersten mal 1917 aufgezeichnet.

Abb.3: Das Czochalski-Verfahren: 1 - gekühlter Schaft 2 - Kristall 3 - Schmelzgut 4 - Tiegel 5 - Heizung 6 - Ofenraum

In dem Czochralski - Verfahren befindet sich diesmal das Schmelzgut (Korund, Spinell, Alexandrit, ...) direkt in einem Tiegel, in dem auf einem gekühltem Schaft sitzender Kristallkeimling hineingetaucht wird. Die umliegende Schmelze verfestigt sich somit auf dem kühleren Kristallkeimling, so dass ein Kristall entsteht. Dieser wird mit seiner Wachstumsgeschwindigkeit aus dem Schmelztiegel gezogen.

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Das Hydrothermalverfahren wurde für die Quarzsynthese entwickelt. Durch den Anstieg des Bedarfs an technischem Quarz nach dem 2. Weltkrieg wurde die bereits 1908 von dem Italiener Spezial angewandte Methode um 1945 - 1960 vervollständigt.

Abb.4: Das Hydrothermalverfahren: 1 - Gestell 2 - Kristall 3 - Autoklav/Druckgefäß 4 - alkalische Lösung 5 - gebrochenen Quarzstücke

In einem senkrecht stehenden Druckgefäß (sog. Autoklaven) befindet sich eine leicht alkalische Lösung (die alkalische Reaktion der Lösung erhöht die Löslichkeit des Quarzes). Unterhalb dieses Gefäßes befinden sich, als Nährsubstanz, gebrochene Quarzstücke und oberhalb, als Keime, orientiert geschnittene Quarzplatten. In dem Autoklaven wird eine Temperatur von 350 - 400°C und ein Druck von 120Pa erzeugt, die bei der Quarzsynthese nötig sind. Durch das Temperaturgefälle in dem Druckbehälter wird der Nährquarz im unteren und heißeren Bereich aufgelöst und wird im kälteren Bereich an den Kristallkeim bzw. Kristall auskristallisiert.
Dadurch wächst der Kristall mit einer Geschwindigkeit von 1mm pro Tag. Man kann auch Edelsteine wie Beryll, Granat, Zoisit, Turmalit, u.a. mit diesem Verfahren züchten.

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Dieses Verfahren wurde von den Forschern Osiko und Alexandrow 1973 zur Synthese von Zirkoniumoxid entwickelt, das eine mindeste Schmelztemperatur von 2750°C hat.

Abb.6: Die Methode des Kalten Tiegels 1 - U-förmige Kupferrohre 2 - Schmelze 3 - erstarrte Kristalle 4 - polykristalline Kruste 5 - Quarzglaszylinder 6 - Induktionsspule 7 - Keramikboden

Da bisher kein bekanntes Material existiert, das diese Temperatur dauerhaft aushält, wird aus wassergekühltem, dicht nebeneinander liegenden Kupferrohren ein Gefäß gebildet. Dieses wird von Quarzglas umgeben und von einer Induktionsspule auf die nötige Temperatur gebracht. Nach einem speziellen Zündvorgang schmilzt der Tiegelinhalt von innen nach außen her auf. Die Randzonen bleiben, durch die Rohre gekühlt, fest, und bilden eine polykristalline Kruste, die das eigentliche Gefäß darstellt. Durch geregelte Abkühlung erstarrt die Schmelze wieder von außen nach innen zu länglichen Einkristallen, die dann aus dem Block rausgebrochen werden.

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Zuhause ist es nicht möglich, die hohe Temperatur und den hohen Druck, wie in den industriellen Zuchtverfahren, herzustellen. Hier begnügt man sich mit einfachen Methoden, Kristalle herzustellen. Meistens wird mit wässrigen Lösungen und Salzen gearbeitet. Solche Salze sind z.B. Kupfer-(II)-Sulfat, Glaubersalz (Natriumsulfat), Alaun (Aluminiumkaliumsulfat) u.v.m. mit denen sich gute Kristalle herstellen lassen. Von Prinzip her muss man versuchen eine Substanz in eine möglichst kompakte und energiesparende Form zu bringen. Dazu müssten sich die kleinsten Teilchen frei auf einer Keimoberfläche ansetzen können.

Mit den wässrigen Lösungen ist dieses folgendermaßen möglich: Dem Wasser wird Salz hinzugegeben, bis die Lösung gesättigt ist (d.h., bis das Wasser kein Salz mehr lösen kann). Das Wasser nimmt um so mehr Salz auf, um so wärmer es ist. Die kleinsten Teilchen des Salzes (Ionen) werden beim Lösen von Wassermolekühlen umgeben, diesen Vorgang nennt man Hydratisieren. Dabei werden die einzelnen Ionen in dem Kristallgitter des Salzes voneinander getrennt, das Salz ist "gelöst". Verdunstet nun das Wasser, setzt es die Ionen wieder frei, die sich durch ihre unterschiedlichen Ladungen wieder in ein, für jedes Salz unterschiedliches, Kristallgitter einbauen. So entsteht nach und nach ein großer Kristall.

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Alle hier aufgeführte Zuchtmethoden sind nur "Standartformen". Sie können selber ein bisschen experimentieren, sie werden sehen, jede kleinste Änderung kann das Ergebnis beeinflussen.

SALZE: Kupfer-(II)-Sulfat, Alaun (Aluminiumkaliumsulfat), Glaubersalz (Natriumsulfat), Steineggensalz (Kaliumnatriumtartrat), Kaliumpermanganat, Kochsalz (Natriumchlorid), Zucker u.v.m.

HINWEIS: Das Wachsen der Kristalle geht nicht von heute auf morgen. Es braucht viel Zeit bis die Kristalle eine anständige Größe haben. Hier gilt, Geduld wird belohnt.

VORSICHT:
- Einige Chemikalien (hier vor allem Salze) können giftig oder gesundheitsschädigend wirken. Bitte informieren sie sich über die Salze vorher ganz genau.
- Bitte, bei Minderjährigen, nur im Beisein von Erwachsenen mit Chemikalien hantieren.
- Bei Berührung mit reizenden oder ätzenden Chemikalien sofort mit viel Wasser spülen und den Arzt aufsuchen.

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Das Wasser nimmt um so mehr Salz auf, um so wärmer es ist, und muss um so mehr Salz wieder abgeben, um so kälter es wird. Diese Tatsache wird in dieser Methode als "Antrieb" für das Wachstum benutzt.

1. Schritt:
Füllen sie ein Gefäß mit warmen Wasser und lösen sie das Salz darin, bis ein Bodensatz (Rückstand der sich nicht mehr lösen lässt, weil das Wasser gesättigt ist) übrig bleibt.

2. Schritt:
Dekantieren sie diese Lösung in ein anderes Gefäß, der Bodensatz muss zurückbleiben.

3. Schritt:
Bringen sie einen Kristallkeim in das Gefäß. Ein Kristallkeim kann ein Stein oder ein an einem Faden befestigter Keimkristall sein, der in das Gefäß hineinhangen wurde (siehe Schritt 4). Die Kristalle entstehen auch an jeder anderen Grundlage, die ein gewisse Unebenheit aufweist (die auch mikroskopisch klein sein kann). Deshalb wachsen sie auch auf der Glasoberfläche des Gefäßes. Damit würden sie viele kleine Kristalle bekommen, die sich besonders als Keimlinge für größere Kristalle eignen.

4. Schritt:
Lassen sie das Gefäß mit der Lösung an einem ruhigen Ort mit beständiger Temperatur ca. 1-3 Tage stehen. Sie können auch das Glas stehen lassen, bis das gesamte Wasser verdunstet ist, um die schon genannten Kristallkeime herzustellen. Dazu brauchen sie nicht mehr mit Schritt 5 fortzufahren.

5. Schritt:
Erwärmen sie das Wasser wieder und geben sie neues Salz nach. Rühren sie die Lösung um, bist das gesamte Salz gelöst ist. Dekantieren sie das Gefäß, um den Bodensatz herauszufiltern. Lassen sie das Gefäß wieder an einem ruhigen Ort 1-3 Tage stehen.

6. Schritt:
Wiederholen sie Schritt 5 mehrmals, bis sie einen genügend großen Kristall gezüchtet haben.

HINWEISE:
- Das Wasser braucht nicht unbedingt vorgewärmt zu werden. Nur dauert das Wachstum des Kristalls länger, wenn dieser "Antrieb" nicht vorhanden ist. Dafür aber brauchen sie sich eine Weile nicht um das Gefäß zu kümmern.
- Bitte beachten sie, dass ein Kristall in einer bestimmten Größe auch genau dieselbe Menge an Salz beansprucht. Wollen sie z.B. einen Kristall mit einer Masse von einem Kilo Züchten, brauchen sie dazu auch mindestens ein Kilo Salz.

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Das Züchten eines Einkristalls ist mit viel Aufwand und Geduld verbunden. Die Kristalle werden um so perfekter, je langsamer sie wachsen.

1. Schritt:
Füllen sie ein Gefäß mit Wasser und lösen sie das Salz darin, bis ein Bodensatz (Rückstand der sich nicht mehr lösen lässt, weil das Wasser gesättigt ist) übrig bleibt.

2. Schritt:
Dekantieren sie diese Lösung in ein anderes Gefäß, der Bodensatz muss zurückbleiben.

3. Schritt:
Hängen sie einen Kristallkeim (aus der Lösung von 3.2.1.) an einem Faden in das Gefäß. Der Keimling muss sich direkt unter der Wasseroberfläche befinden, deshalb wäre es günstig, den Faden an z.B. einen Holzstängel über dem Gefäß zu befestigen, so dass man ihn nach und nach mit dem Senken der Wasseroberfläche abrollen kann.

4. Schritt:
Lassen sie das Gefäß mit der Lösung an einem ruhigen Ort mit beständiger Temperatur so lange stehen, bis der Kristall die gewünschte Größe hat (nach ca. 4-8 Monaten). Nehmen Sie den Kristall ab und zu aus der Lösung um Fremdkristalle und Verunreinigungen zu entfernen.

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Dies stellt eine besonders faszinierende Methode dar, Kristalle zu Züchten. Wenn sie die folgende Punkte richtig machen, entstehen zum Schluss Kristalle in Sekunden.

1. Schritt:
Nehmen sie ein beliebiges Maß an Wasser (am besten wäre ca. 50ml, damit sie nicht zu viel Salz verbrauchen) und ein entsprechendes Glasgefäß.

2. Schritt:
Geben sie Glaubersalz in das Wasser und rühren sie um. Ein gewisser Bodensatz muss bleiben.

3. Schritt:
Nun erwärmen sie die entstandene Lösung auf 30°C. Rühren sie danach nochmals um, damit ein weiterer Teil des Bodensatzes gelöst wird.

4. Schritt:
Dekantieren sie die Lösung in ein anderes Gefäß, der restliche Bodensatz muss zurückbleiben.

5. Schritt:
Kühlen sie die Lösung auf 10°C ab.

6. Schritt:
Geben sie ein paar Krümel von dem Glaubersalz in das Gefäß und sehen sie was passiert.

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Auch wenn man zuhause Kristalle züchten will, sollte man ein paar wichtige Schutzmaßnahmen beachten. Ein Kittel bewahrt die restliche Kleidung vor hässlichen Flecken und Löchern. Ersatzweise tut es auch ein ausrangiertes Oberhemd aus Baumwollfaser. Die Augen sind beim Hantieren mit ätzenden oder reizenden Chemikalien zu schützen. Dazu empfiehlt es sich Brillen zu tragen, die durch Schutzklappen an den Bügeln auch Schutz gegen seitliche Spritzer bieten. Außerdem sollte man sich nach dem Experimentieren gründlich die Hände waschen.

Edelsteine üben seit jeher eine große Faszination auf die Menschen aus. Daher wurde auch schon recht früh damit begonnen, die begehrten Steine nachzuahmen. Inzwischen lassen sich diese Imitationen manchmal mit bloßem Auge nicht von den echten Edelsteinen unterscheiden. Synthetische Kristalle werden seit über 100 Jahren hergestellt. Seither wurden die Technologien immer weiter verfeinert und die Zahl der synthetisch herstellbaren Kristalle wächst stetig. So werden bisweilen z.B. zur Dekoration von Abzeichen und Ehrennadeln auch solche künstlich hergestellten Schmucksteine verwendet.

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