Гидротерма́льный си́нтез (от гидро… и термо...), получение кристаллических неорганических веществ из водных растворов в условиях, моделирующих процессы образования минералов в природе. Разработан в 19 в. В основе метода – способность воды и водных растворов при высоких температурах (> 100 °C) и давлениях (обычно 10–80 МПа) растворять вещества, практически нерастворимые при нормальных условиях (например, оксиды кремния, германия и других элементов, силикаты, германаты, фосфаты, сульфиды). Гидротермальный синтез проводится в автоклавах, объём которых может составлять от нескольких см³ до 100 дм³ и более. Основные объекты гидротермального синтеза – соединения, которые трудно или невозможно получить прямой кристаллизацией из расплава (вследствие очень высоких температур плавления, наличия фазовых переходов, разложения при температурах ниже t_пл) или из низкотемпературного раствора (пренебрежимо низкая растворимость в воде при низких температурах).

Гидротермальный синтез проводят, как правило, в трёхкомпонентных системах типа А – В – H₂O, где А – получаемое соединение, В – хорошо растворимое в воде соединение (минерализатор). Часто минерализатор называют растворителем, хотя растворителем является раствор минерализатора в воде. Минерализатор В вводят в систему А – H₂О для увеличения растворимости малорастворимого компонента А. Как и другие методы выращивания кристаллов из растворов, гидротермальный синтез основан на использовании зависимости равновесной концентрации получаемого соединения $C_А$ в растворе от термодинамических параметров, определяющих состояние системы: температуры $T$, давления $P$, концентрации минерализатора $C_В$.

Для осуществления процесса гидротермального синтеза создаются (за счёт приложения высоких температур, давлений, введения минерализатора) условия, позволяющие перевести в растворённое состояние вещество А и обеспечить пересыщение раствора, необходимое для кристаллизации этого компонента. Значения относительного пересыщения $σ=\Delta C_А/C_А$, типичные для гидротермальных условий, лежат в интервале 0,01–0,1. Величину пересыщения можно варьировать, изменяя условия ($T$, $P$, тип и концентрацию минерализатора), влияющие на растворимость соединения А, или создавая в системе температурный и концентрационный градиент. В зависимости от того, какой фактор является определяющим в изменении растворимости соединения А с изменением температуры, используют различные варианты гидротермального синтеза: метод температурного перепада, метод метастабильной фазы, метод общего снижения температуры системы и др.

Схема автоклава для гидротермального синтеза.Схема автоклава для гидротермального синтеза.Наиболее распространён метод температурного перепада (температурного градиента). Исходные некристаллические или мелкокристаллические вещества (шихту) помещают в нижнюю часть автоклава, заполняемого определённым количеством растворителя. Автоклав нагревают таким образом, чтобы создать две (верхнюю и нижнюю) различающиеся по температуре зоны. При положительном температурном коэффициенте растворимости соединения А температура в нижней зоне автоклава (зоне растворения) $T_1$ должна быть выше температуры в верхней зоне (зоне роста) $T_2$. Значения температуры и концентрации раствора определяют значение плотности раствора $ρ$, различной вдоль вертикальной оси автоклава. Обычно увеличение концентрации приводит к возрастанию плотности, а увеличение температуры – к её понижению. Если $ρ(C_1T_1)<ρ (C_2T_2)$, т. е. $\frac {\partial ρ}{\partial C} (C_1-C_2) + \frac{\partial ρ}{\partial T} (T_1-T_2)<0$ (где $C_1$ и $C_2$ – концентрации кристаллизуемого вещества в зоне растворения и зоне роста соответственно), то более холодный и имеющий бо́льшую плотность раствор из верхней части автоклава опускается вниз, а встречный поток более горячего раствора с меньшей плотностью поднимается вверх. То есть при достижении определённого значения перепада температур $\Delta T=T_1-T_2$, специфического для каждого химического соединения, в автоклаве возникнет конвекционное движение раствора. Раствор, насыщенный компонентом А при температуре $T_1$, переносится вверх, где вследствие понижения температуры до $T_2$ раствор становится пересыщенным и происходит кристаллизация. Описанный метод обеспечивает непрерывный (вплоть до полного растворения шихты) перенос вещества в зону роста и его кристаллизацию. Количество вещества, выкристаллизовавшегося в единицу времени, определяется главным образом скоростью конвекции.

Метод температурного перепада – основной промышленный метод выращивания монокристаллов; его используют для выращивания монокристаллов многофункциональных материалов (кварца SiO₂, кальцита CaCO₃, цинкита ZnO, окрашенных разновидностей берилла Be₃Al₂Si₆O₁₈ и др.). Проведение гидротермального синтеза в промышленных автоклавах объёмом более 100 дм³ позволяет получать монокристаллы кварца массой более 1 кг. Методом гидротермального синтеза получены монокристаллы множества веществ – от состоящих из атомов одного химического элемента до сложных многокомпонентных соединений (силикатов, германатов, смешанных органо-неорганических фаз) и пр.

Применение гидротермального синтеза способствовало развитию ряда областей современной науки и технологии, в том числе включающих нетрудоёмкие, быстрые исследования по поиску новых соединений с ценными физическими свойствами, выращивание крупных монокристаллов, получение фундаментальных данных по поведению различных соединений в водных растворах при высоких температурах и давлениях, моделирование процессов природного минералообразования, получение кристаллических наноматериалов. Особый интерес представляет проведение гидротермального синтеза при температурах и давлениях, превышающих критические для воды (374,15 °C и 22,06 МПа). Уникальное свойство воды в сверхкритическом состоянии – многократно увеличивать растворимость малорастворимых (при нормальных условиях) и нелетучих неорганических (реже органических) соединений и формировать новые вещества не только в результате процессов растворения – осаждения, но и окислительно-восстановительных реакций – определяет возникновение принципиально новых технологий получения различных по свойствам материалов, в том числе наночастиц и наноструктур.