تغییرهای ساختار اوپال مصنوعی طی آزمون گرمایی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز گوهرشناسی دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشکده مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

10.22128/ijcm.2026.3185.1023

چکیده

اوپال مصنوعی دارای بازی رنگ ساخته شده از رسوب‌گذاری خودبه‌خودی نانوکره‌های سیلیکا به عنوان گوهرسنگ به کار می­رود. تغییرهای ساختاری اوپال‌های ساخته شده از محلول تترا اتیل ارتو سیلیکات (TEOS) با ذرات با اندازه 200 تا 250 میکرون و یک نمونه اوپال طبیعی اتیوپی به عنوان معرف با آزمون گرمایی بررسی شدند. تا دمای ºC1000، کاهش جرم 22/12 تا 45/17 درصد برای نمونه‌های مصنوعی و 58/9 درصد در نمونه طبیعی دیده شد. در نمونه طبیعی به طور متوسط هر ºC 100 افزایش دما با حدود یک درصد کاهش جرم همراه است. در نمونه‌های مصنوعی تا دمای ºC 180 کاهش جرم بین 80/6 تا 74/10 درصد است که در این گستره، آب سطحی و بین فضاها از دست می رود. این مقدار به طور میانگین 39/43 درصد کل کاهش جرم نمونه‌هاست. آب جذبی و سیلانول‌های آزاد در گستره 270 تا ºC 430 با کاهش جرم 43/1 تا 88/2 درصد آزاد می‌شوند. بین 400 تا 450 درجه سانتیگراد، یک قله گرمازا در نمودار گرماسنجی تفاضلی (DTA) نمونه‌ها دیده می‌شود که در نمونه طبیعی وجود ندارد. این قله مربوط به خروج گروه اتوکسی بوده که از مواد کربن‌دار اولیه حل نشده باقیمانده است. به دلیل همگنی اندازه کره‌ها و یکنواختی فضاها، خروج این مواد در یک مرحله و در گستره دمایی مشخص و محدود انجام شده است. سیلانول‌های ساختاری در دمای بالای ºC 1000 و تنها با کاهش جرم 57/0 درصد در نمونه طبیعی و بین 23/0 تا 48/0 درصد با یک قله گرما گیر آشکار همزمان با تلاشی ساختار اوپال از بین می‌رود. روند تغییرهای جرم با افزایش دما برای نمونه­های طبیعی و مصنوعی کاهشی بوده و به جز دو مرحله خروج آب‌های سطحی و بین فضاها و خروج گروه اتوکسی مشابه هستند و نمودارهای DTA تقریبا روندی موازی را برای هر دو نشان می‌دهند. برای تثبیت اوپال مصنوعی لازم است که مواد فرار آن خارج و فضاها با مواد ثابت پر شوند. داده‌های این پژوهش تغییرهای ساختاری اوپال با افزایش دما و مقدار گرمای لازم به منظور حذف مواد فرار را مشخص نمود. ایجاد کره‌ها در کلوئید و چگونگی توزیع و انباشت آن‌ها به فرایند ساخت محلول اولیه و افزودن سازنده‌های محلول در دقایق آغازین وابسته است. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Structural Changes in Synthetic Opal During Thermal analysis

نویسندگان [English]

  • Fariborz Masoudi 1
  • Ziba Delpasand 1
  • Alireza Mirhabibi 2
1 Gemology Center, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 School of Materials and Metallurgical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Synthetic play-of-color opal produced from TEOS with 200–250 µm spheres was thermally analyzed and compared with a natural Ethiopian opal. Below 180 °C, the synthetic samples show a 6.80–10.74% mass loss due to the release of surface and interstitial water. Bound water and free silanol groups are removed between 270 and 430 °C. An exothermic peak at 400–450 °C, attributed to the decomposition of residual ethoxy groups from carbon-based precursors, appears only in the synthetic opal. Structural silanols are eliminated above 1000 °C, concurrent with collapse of the opal framework. Overall mass-loss trends in both samples are similar. The results indicate that stabilizing synthetic opal requires complete removal of volatile components and subsequent filling of pore spaces with stable materials, and the thermal ranges necessary for these processes can be clearly defined.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Synthetic opal
  • gemstone
  • thermal analysis
  • silanol
  • ethoxy groups
[1] Darragh P.J., Gaskin A. J., Sanders J. V.,  “Opal”,  Scientific American 234 (1976) 84-95.
[2] Nassau K., ”The origins of color in minerals”, American Mineralogist 63 (1978) 219-229,
[3] Sanders J.V., “Colour of precious opal”, Nature 204 (1964) 1151–1153. 
[4] Sanders J.V., “Diffraction of light by opals”, Acta Crystallographica 24 (1968) 427-434.
[5] Sanders J. V., Murry M. J., “Ordered arrangements of spheres of two different sizes in opal”, Nature 275 (1978) 201–203.
[6] Stober W., Fink A., Bohn E., “Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range”,  Journal of Colloid and Interface Science, 26 (1968) 62-69.
[7] Samusev K.B., Yushin G.N.,  Rybin  M.V.,  Limonov M.F., “Structural parameters of synthetic opals: Statistical analysis of electron microscopy images”, Physics of the Solid State  50 (2008) 1280–1286.
[8] Murphy R.P., Hong K., Wagner N.J., “ Synthetic control of the size, shape, and polydispersity of anisotropic silica colloids”, Journal of Colloid and Interface Science 501 (2017) 45-53 DOI:10.1016/j.jcis.2017.04.026
[9] Lee S., Xu H., Xu H., “Reexamination of the structure of opal-A: A combined study of synchrotron X-ray diffraction and pair distribution function analysis”  American Mineralogist 107 (7)  (2022) 1353–1360 DOI: 10.2138/am-2022-8017
[10] Laskowska M., Karczmarska, AS., Schabikowski M.,  Adamek M., Maximenko A., Pawlik K., Kowalska O., Olejniczak Z., Laskowski L., “Synthetic Opals or Versatile Nanotools—A One-Step Synthesis of Uniform Spherical Silica Particles”, International Journal of Molecular Sciences 24(18) (2023),13693 DOI:10.3390/ijms241813693
[11] Curtis N.J., Gascooke  J.R., Pring A.,  “Silicon-Oxygen Region Infrared and Raman Analysis of Opals: The Effect of Sample Preparation and Measurement Type” Minerals  11 (173) (2021) doi.10.3390/min11020173
[12] Tang F., Li L., Chen D.  “Mesoporous silica nanoparticles: synthesis, biocompatibility and drug delivery” Advanced Materials 24(12) (2019) 1504-34 DOI: 10.1039/D2RA04197A
[14] Bardosova M., Hodge P., Pach L., Pemble M.E., Smatko V., Tredgold R.H., Whitehead D., “Synthetic opals made by the Langmuir–Blodgett method”, Thin Solid Films 437  (1-2) (2003) 276-279.
[15] Bardosova  M., Pemble M.E.,  Povey I.M.,  Tredgold R.H., “The Langmuir-Blodgett Approach to Making Colloidal Photonic Crystals from Silica Spheres”, Advanced Material 22 (2010) 3104-3124 DOI:10.1002/adma.200903708Citations: 168
[16] Gouzy S., Rondeau B,. Vinogradoff V., Chauviré B., Coulet M.V., Grauby O., Terrisse H.,  Carter J., “Opal Synthesis: Toward Geologically Relevant Conditions” Minerals 2024, 14 (969) (2024)  doi.10.3390/min14100969
[17] Liesegang M., Milke R., “Australian sedimentary opal-A and its associated minerals: Implications for natural silica sphere formation”, American Mineralogist 99 (7) (2014) 1488–1499 DOI: 10.2138/am.2014.4791
[18] Castaño  V. M., “Process of preparation of synthetic fire opal”, Publication of WO2006043285A1 (2006).
[19] Filin, S.V., Alexader I.P.,  Puzynin I.,  Samoilov V.N. ” Some aspects of precious opal synthesis” Scientific Center for Applied Research, Dubna, JINR(2002) Russia.
[20] Delpasand Z., Masoudi F., Mirhabibi A., “ The Effect of Tetraethyl Orthosilicate (TEOS) Content on Sphere Dimensions and Color Formation in Synthetic Opal”, Iranian Journal of Crystallography and Mineralogy (2025) DOI:10.22128/ijcm.2025.2964.0
[21] Arasuna A., Okuno M., Okudera H., Mizukami T., Arai S., Katayama S., Koyano M., Ito N., “Physics and Chemistry of Minerals, Structural changes of synthetic opal by heat treatment”, Physics and Chemistry of Minerals 40(9) (2013) 747–755: DOI 10.1007/s00269-013-0609-1
[22] Brown  L.D., Ray A.S., Thomas P.S., & Guerbois J.P., “Thermal Characteristics of Australian Sedimentary Opals” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 68 (2002)  31–36 DOI:10.1023/a:1014912331807
[23] Samarov É. N.  Mokrushin A. D., Masalov V. M., Abrosimova G. E., Emel’chenko G. A. “Structural modification of synthetic opals during thermal treatment Semiconductors and Dielectrics” Physics of the Solid State (2006) 48, pages 1280–1283
[24] Jones J.B., Segnit E.R. “The nature of opal I. nomenclature and constituent phases”, Journal of the Geological Society of Australia 18(1) (1971) 57-68 DOI:10.1080/00167617108728743
[25] Hernández-Ortiz M., Hernández-Padrón G., Bernal R., Cruz-Vázquez C., “Nanocrystalline mimetic opals: synthesis and comparative characterization vs. natural stones”, International Journal of Basic and Applied Sciences 4 (2) (2015) 238-243 DOI:10.14419/ijbas.v4i2.4174
[26] Sabataityte J., Simkiene I., Reza A., Babonas G.-J., Vaisnoras R., Rasteniene L.,  Kurdyukov D.,  Golubev V., “Studies of opal crystals infiltrated with iron porphyrin”, Superlattices and Microstructures 44  (4–5) (2008) 664-669.
[27] Botero O.H.M., “Engineering Stober silica nanoparticles: insight into the growth mechanism and development of silica-based nanostructure for multimodal imaging” Doctoral thesis, University of Barcelona (2022).