Nepdiamant is misschien wel beter dan diamant

Ieder scheikundig element heeft zijn eigen plek in het Periodiek Systeem. Ieder element heeft ook een bijzonder verhaal. Ook zirkonium.


Illustratie Lynne Brouwer

Het was admiraal Hyman Rickover van de Amerikaanse marine die het gebruik van het element zirkonium een belangrijke impuls gaf. In de jaren 50 van de vorige eeuw was Rickover belast met de ontwikkeling van nucleair aangedreven schepen en onderzeeërs. Een van de vragen was hoe de brandstof (uraniumpellets) veilig verpakt kon worden.

Het materiaal moest niet alleen bestand zijn tegen hoge temperaturen en corrosie, het moest ook neutronen doorlaten. Want die neutronen zijn nodig om de kettingreactie van splijtend uranium op gang te houden, en daarmee de energie te genereren voor de aandrijving van het vaartuig. Maar er zijn niet zoveel elementen met een hoge doorlaatbaarheid voor neutronen. Voor de bekleding van de brandstofstaven werden onder meer aluminium, beryllium en roestvrij staal getest, en ongeschikt bevonden. Zirkonium voldeed wel. Zo vond het element een belangrijke toepassing in de nucleaire industrie. Niet alleen in schepen en onderzeeërs, maar later ook in kerncentrales, met name de lichtwaterreactoren. Van al het geproduceerde zirkonium – jaarlijks nu circa 1 miljoen ton – gaat het meeste hiernaartoe.

Maar het is lang niet de enige toepassing van zirkonium. Zijn uiteenlopende eigenschappen maken hem voor veel bedrijfstakken interessant. Doordat het element bestand is tegen hoge temperaturen (het smeltpunt van zirkonium ligt op 1.855°C) vindt het onder meer toepassing in de binnenwanden van ovens en in ruimtevaartuigen. Het weerstaat ook corrosie, en dus wordt het gebruikt als bekleding van chemische vaten, pijpleidingen en buizen. Daarnaast is zirkonium taai en hard. Daarom zijn er messen, scharen en chirurgische scalpels met een coating van zirkonium. Ook de tandheelkunde maakt van deze eigenschap gebruik. Zirkonium wordt verwerkt in keramische tandvullingen, kronen en bruggen.

Verbazingwekkende weerstand

In veel toepassingen wordt zirkonium niet in pure vorm verwerkt, maar in verbinding met bijvoorbeeld koolstof, zwavel, of zuurstof. Twee jaar geleden schreven twee Russische chemici een overzichtsartikel alleen over zirkoniumdioxide (ZrO2). Ze bezongen daarin de vele bijzonderheden van het materiaal, zoals de „amazing fracture resistance”, de verbazingwekkende weerstand tegen breken.

Zirkonium wordt gewonnen uit zandafzettingen, waar het in verbinding met silicium (ZrSiO4) voorkomt. Daarnaast is het een bijproduct van de titaniummijnbouw.

Zirkonium werd ontdekt in 1789, door de Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth. Hij onderzocht een edelsteen uit Sri Lanka – destijds Ceylon. Het was een zirkon, een type edelsteen dat in allerlei kleuren voorkomt. Zirkonen zijn de oudste mineralen die op aarde voorkomen. Er zijn er die 4,4 miljard jaar oud zijn, en die dus net na het ontstaan van de aarde al zijn gevormd. Uit zo’n zirkon isoleerde Klaproth een nog niet eerder geïdentificeerd element dat hij Zirkonerde (zirkon uit de aarde) noemde. Die naam werd omgezet in zirkonium.

Zirkonen zijn al duizenden jaren gewild als edelsteen. Ze worden ook wel nepdiamanten genoemd. Maar chemicus en uitgever Theodore Gray schrijft in zijn boek De Elementen dat het misschien wel diamant is dat wordt overgewaardeerd. „Er is geen echt verschil in schoonheid.”