水熱合成

水熱合成には、高圧下で高温水溶液から物質を合成するさまざまな技術が含まれます。これは「水熱法」とも呼ばれます。「水熱」という用語は地質学に由来します。^{[ 1 ]}地球化学者と鉱物学者は、20 世紀初頭から水熱相平衡を研究してきました。カーネギー研究所のジョージ W. モリー、そして後にハーバード大学のパーシー W. ブリッジマンは、水熱研究の大部分が行われる温度と圧力範囲で反応性媒体を封じ込めるために必要な基礎を築くための多くの研究を行いました。最も広い定義では、プロセスは、水温が100 °C (212 °F)を超え、圧力が 1 atm を超える場合に水熱プロセスとみなされます。^{[ 2 ]}   

材料科学の分野では、水熱合成は単結晶の製造に焦点を当てています。高温 （300  ℃以上）と高圧（ 100 気圧以上）の下では、通常は水に溶けない鉱物が水に溶けるようになります。^{[ 2 ]}結晶の成長は、オートクレーブと呼ばれる鋼鉄製の圧力容器からなる装置で行われ、その中に反応物（「栄養素」）が水とともに供給されます。成長室の両端の間には温度勾配が維持されます。高温側では栄養素溶質が溶解し、低温側ではそれが種結晶上に析出し、目的の結晶が成長します。

水熱法は、他の結晶成長法に比べて、融点付近で安定しない結晶相を生成できるという利点があります。また、融点付近で蒸気圧が高い材料も水熱法で成長させることができます。この方法は、組成を制御しながら、大きくて良質な結晶を成長させるのにも特に適しています。この方法の欠点としては、高価なオートクレーブが必要なこと、鋼管を使用した場合、結晶の成長を観察できないことが挙げられます。^{[ 3 ]} 厚肉ガラス製のオートクレーブもあり、300 ℃、10気圧まで使用できます。 ^{[ 4 ]}

結晶の熱水成長に関する最初の報告は、^{ドイツの地質学者カール・エミール・}フォン・シャフホイトル（1803–1890）が1845年に発表したもので、圧力鍋で微細な石英結晶を成長させた。^{[ 6 ] 1848}年には、ロベルト・ブンゼンが、密閉ガラス管と塩化アンモニウム水溶液（「サルミアック」 ）を溶媒として、 200  ℃、15気圧の圧力で炭酸バリウムと炭酸ストロンチウムの結晶を成長させたことを報告した。^{[ 7 ]} 1849年と1851年には、フランスの結晶学者アンリ・ユロー・ド・セナルモン（1808–1862）が熱水合成により様々な鉱物の結晶を生成した。^{[ 8 ] [ 9 ]}その後（1905年）、ジョルジオ・スペツィア（1842–1911）が巨視的な結晶の成長に関する報告を発表した。^{[ 10 ]}彼はケイ酸ナトリウム溶液、種結晶および供給源としての天然結晶、銀で裏打ちされた容器を使用した。容器の供給側を 320～350 °C、もう一方の端を 165～180 °C に加熱することにより、200 日で約 15 mm の新しい成長を得た。現代の方法とは異なり、容器の高温部分は上部にあった。第二次世界大戦中、電子産業でブラジル産の天然水晶が不足したことが、戦後、ベル研究所の AC ウォーカーとアーニー・ビューラーによって、水晶を培養するための商業規模の水熱プロセスの開発につながった。1950 年。^{[ 11 ]} その他、注目すべき貢献は、ナッケン (1946 年)、ヘイル (1948 年)、ブラウン (1951 年)、コーマン (1955 年) によってなされた。^{[ 12 ]}   

水熱合成法では、元素、単純酸化物および複合酸化物、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、炭酸塩、ケイ酸塩、ゲルマニウム酸塩など、ほぼすべての種類の化合物が合成されています。水熱合成は、合成石英、宝石、その他商業的価値のある単結晶の育成に広く用いられています。効率的に育成された結晶には、エメラルド、ルビー、石英、アレキサンドライトなどがあります。この方法は、特定の物理的特性を持つ新規化合物の探索と、高温高圧下における複雑な多成分系の体系的な物理化学的研究の両方において、極めて効率的であることが証明されています。

結晶化容器としてオートクレーブが用いられます。オートクレーブは通常、長時間高温高圧に耐える必要のある、密閉シールを備えた厚肉鋼製円筒です。さらに、オートクレーブの材質は溶媒に対して不活性でなければなりません。オートクレーブにおいて最も重要な要素はシールです。シールには様々な設計が開発されており、最も有名なのはブリッジマンシールです。ほとんどの場合、水熱実験では鋼を腐食させる溶液が使用されます。オートクレーブ内部の腐食を防ぐために、一般的に保護インサートが使用されます。保護インサートは、オートクレーブと同じ形状で内部に収まるもの（接触型インサート）と、オートクレーブ内部の一部のみを占める「浮動型」インサートがあります。インサートの材質は、使用する温度や溶液に応じて、炭素を含まない鉄、銅、銀、金、白金、チタン、ガラス（または石英）、テフロンなどです。

• 水熱結晶成長装置メーカー
• 石英の熱水結晶成長