teledacha.ru

Искусственные кристаллы

Искусственные кристаллы и их использование в современной технике

С давних времен человечество использует кристаллы. Изначально это были природные кристаллы, которые использовались в качестве орудия труда и средства для лечения и медитации. Позже редкие камни и драгоценные металлы начали выступать в роли денежных средств. Фундаментальные научные исследования и открытия XX столетия позволили разработать методы получения искусственных кристаллов и существенно расширить области их применения.

Монокристалл — это однородный кристалл, который имеет непрерывную кристаллическую решетку и анизотропию свойств. Внешняя форма монокристалла зависит от атомно-кристаллического строения и условий кристаллизации. Примерами монокристаллов могут послужить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.

Если скорость выращивания кристалла будет высокой, то будут образовываться поликристаллы, которые имеют большое количество монокристаллов. Монокристаллы высокочистых веществ имеют одинаковые свойства независимо от метода получения.

На сегодняшний день насчитывают около 150 способов получения монокристаллов: паровая фаза, жидкая фаза (растворов и расплавов) и твердая фаза.

На кафедре высокотемпературных материалов и порошковой металлургии последним методом выращиваю монокристаллы гексаборид лантана и различных эвтектических сплавов на его основе. С монокристаллов этих соединений изготавливают катоды, используемых в эмиссионной технике.

Благодаря развитию электротехники и электроники, использование монокристаллов увеличивается из года в год. Детали, выполненные из высокочистых монокристаллических материалов можно увидеть во всех новых моделях электронных приборов, от радиоприемников до больших электронно-расчетных машин.

В технике не хватает набора свойств природных кристаллов, поэтому ученые разработали сложный технологический метод создания кристаллоподобных веществ с промежуточным свойством, путем выращивания сверхтонких слоев (единицы-десятки нанометров) чередующихся кристаллов с подобными кристаллическими решетками — метод эпитаксии. Эти кристаллы получили название фотонных кристаллов.

В фотонных кристаллах есть запрещенные энергетические зоны — это значения энергии фотонов, которые не могут проникать в кристалл и растворяться в нем. Если же энергия кванта света имеет допустимое значение, то он успешно пройдет через кристалл. То есть фотонные кристаллы могут исполнять роль светового фильтра, который пропускает фотоны с определенными значениями энергии и отсеивает все остальные.

Фотонные кристаллы имеют 3 группы, которые определяются количеством пространственных осей, в которых изменяется показатель преломления. По этому критерию кристаллы делят на одно-, двух- и трехмерные.

Известным представителем фотонных кристаллов является опал, имеющий удивительный цветной узор, который появляется именно благодаря существованию запрещенных энергетических зон.

Монокристаллы искусственных сапфиров только в незначительной степени уступают твердости алмаза и имеют высокую устойчивость к царапанью, что позволяет применять их в качестве защитных экранов в электронных устройствах (планшетах, смартфонах и т.д.). Применение метода Чохральского позволяет получать огромные монокристаллы искусственных сапфиров.

В наше время ученые все чаще говорят о нанокристаллах . Нанокристаллы могут иметь размер от 1 до 10 нм, что зависит от вида нанокристаллов , а также от их метода получения. Обычно они имеют 100 нм для керамики и металлов, 50 нм для алмаза и графита, и 10 нм для полупроводников. Размер нанокристаллов влияет на появление необычных свойства в привычных веществах.

Искусственные кристаллы

С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 века такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно!

Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, и лабораторные кристаллы образуются, так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров.

Применение искусственных кристаллов

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов – алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила – это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Читать еще:  Самые красивые сорта цинний (майоры) для выращивания в саду

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные.

Есть у них ещё совсем невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд – наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями – это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Новая жизнь рубина – это лазер, чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч – громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин и гранат. В глазной хирургии применяется чаще всего лазеры на рубине.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца – это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды.

Также кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука .Существуют и кристаллические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Электрооптическая промышленность – это промышленность кристаллов. Она очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, “погасит его”.

Искусственные кристаллы

Природные кристаллы

Среди различных горных пород встречаются кристаллические (обычно магматические и вулканические породы) и некристаллические (обычно осадочного происхождения). Особый интерес представляют кристаллические горные породы (или природные кристаллы), о которых и пойдёт речь.

Среди выставленных в магазинах на показ драгоценных и полудрагоценных камней (представленных в виде природных кристаллов или осадочных пород) у некоторых из них имеется табличка “натуральный камень”. Это означает, что такие камни найдены в природе, обработаны и выставлены на продажу. А что тогда представляют остальные камни без табличек? Это минералы и камни выращены на заводе! (или искусственные кристаллы). Можно выращивать аметисты, цитрины, морионы, которые не будут уступать естественным минералам. Но вот себестоимость таких минералов и камней будет гораздо ниже! (конечно это относится не ко всем минералам, выращиваемым искусственным путём)

Выращивание искусственных кристаллов интересовало людей ещё в IX веке. И прежде всего интерес представляли драгоценные минералы: рубин и сапфир. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно!

Искусственные кристаллы камней производят из расплавов, из растворов, из газа, но конечно, для каждого минерала существует свой способ получения, своя технологическая особенность. (С этой особенностью связано такое разнообразие минералов в природе!). Например, кристаллы кварца (горный хрусталь, аметист, морион) растут в водных растворах природных минерализаторов. Об этом свидетельствует химический состав кварца. Для выращивания искусственного кристалла камня природные условия моделируются также искусственно!

Интересен вопрос о скорости роста. Здесь нет однозначного ответа. Скорость роста искусственных кристаллов камней зависит от условий роста, глубине залегания породы и давления, концентрации природного раствора, какие породы окружают растущий кристалл и многое другое. Если учесть то, что в самом среднем случае рост минералов может происходить годами и веками, то создавая искусственные условия выращивания кристаллов камней, получили почти “космическую” скорость – сравнимую со скоростью роста волос у человека! Если кратко описать процесс искусственного выращивания кристаллов камней, то исходное сырьё (например некрасивый, разрушенный кварц) разрушается в щелочи до молекулярного состояния и затем из молекул кремнезёма (SiO2) создаётся идеально правильный прозрачный кристалл. Делается это с помощью специальных затравок. Затравки для выращивания искусственных минералов – прозрачные тонкие вытянутые в длину пластинки, изготавливаемые из тех же синтетических кристаллов. При этом обязательно контролируется соответствующая температура, давление, концентрация раствора. Малейшие отклонения от заданных параметров – и кристалл будет безнадёжно испорчен! Ещё одним важным условием выращивания искусственных камней – это перепад температур внизу и вверху ёмкости где они растут. При этом происходит перенос молекул в растворе и поступление их к затравкам.

Читать еще:  Голландские сорта огурцов: лучшие семена голландской селекции

Искусственные кристаллы аметистов

Искусственные драгоценные и полудрагоценные камни, например, аметисты, выращенные на заводе, ничем не отличаются от своих знаменитых уральских и бразильских собратьев: ни внешне, ни по структуре.
Удивляет не богатство разновидностей кристаллов, их цветовых оттенков, а сам размер! такие драгоценности увидишь не часто! Лимонно-жёлтый цитрин, нежно-голубой и ярко-синий перунит, фиолетовый аметист, дымчатый раухтопаз, почти чёрный морион, голубая бирюза, аквамариновые бериллы, янтарно-коричневый топаз, – смотришь и не можешь наглядеться!

Ещё в древности камням приписывали самые удивительные свойства. Аметист с давних времён считался амулетом против опьянения и отравления, отгонял от владельцев дурные мысли, делал человека добрым и разумным. Женщины особенно ценили его как средство от морщин и веснушек. В средние века аметист дарили только любимым. Аметист носят те, кто родился в феврале.

Известность аметиста объясняется его фиолетовым цветом разной густоты и оттенков. Долго не могли понять природу окраски камня. Сначала предполагали, что эту окраску придаёт камню марганец. Но воспроизвести искусственным путём – не получалось. Позже стало известно, что аметистовая окраска кварца (а аметист – это кварц) вызвана наличием ионов четырёхвалентного железа. Эти ионы входят в кристаллическую решётку и замещают в ней кремний.
В ходе экспериментов обнаружено то, что если ионы железа займут иное положение, то получится другая окраска кристалла. Многое зависит от концентрации раствора, в котором растут искусственные кристаллы. Слабее концентрация – примеси железа окрашивают кварц в бурый цвет, сильнее концентрация – цвет становится зелёным. Цветом можно играть и выбирать самые выразительные оттенки!

Но технология окрашенного кварца не получила распространения. Во-первых, соли металлов, входящих в природный минерал, не “хотели” растворяться в щелочах; во-вторых, растущие кристаллы “стремились отторгнуть от себя” примеси (то есть все цветовые добавки). Именно поэтому во многих странах технология выращивания искусственных кристаллов камней так и не налажена.

Разработаны новые методы и сегодня известны 2 технологии. Аметисты выращивают кристаллизацией из раствора в автоклавах. Технологический цикл роста длится 2 месяца. Аметисты получаются совершенно бесцветными и почти ничем не отличаются от самого обычного кварца. Для проявления окраски выращенные искусственные аметисты подвергают гамма или рентгеновскому облучению (все естественные горные породы облучались, благодаря радиоактивным вкраплениям). Кстати, месторождения природных кристаллов аметистов расположены в тех зонах, где имеется повышенный уровень радиоактивности.

Цена аметистов в значительной степени зависит от цвета камня. Бледно-лиловые или светло-фиолетовые минералы обычно в десятки раз дешевле, чем густо-фиолетовый. Минералы, выращенные на заводе имеют густой фиолетовый цвет.

Удивительно, что в одних и тех же условиях получают разные минералы – и аметисты, и цитрины. Вот, где рождаются россыпи самоцветов! Всё зависит от ориентации затравочных пластин и от того, в каком направлении идёт рост. Например, для аметиста берут пластины с параллельными гранями. В зависимости от ориентации платсин примеси химических соединений входят к кристаллическую решётку по-разному. В итоге – разные минералы, разный цвет! Тёмно-дымчатая, почти чёрная окраска мориона объясняется наличием алюминия, кроме того, выращенные кристаллы обязательно облучают.

Очень красив кварц голубого цвета (перукнит). Его окраска объясняется наличием ионов кобальта. Возможно получить оттенки от нежно-голубого до ярко-синего василькового. Но в природе такая разновидность кварца ещё не найдена.

Из жёлтых или жёлто-зелёных бериллов после нагревания получают кристаллы дивной красоты с голубоватой или голубовато-зелёной окраской. После такой обработки камень называют аквамарином.

Искусственные кристаллы

Образец: ФМ. Фото: © А.А. Евсеев.

Халькантит синтетический. Выращен на виноградной лозе в домашних условиях. Время роста 14 дней.Образец: Мин. музей им. А.Е. Ферсмана РАН. Фото 1-2: © А.А. Евсеев.

местонахождения А Б В ГДЕ Ж З И Й К Л М Н О ПР С Т У Ф Х Ц ЧШ Щ Э Ю Я || localities A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U V W X Y Z регионы мира: 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 –9 – 10 –11 –12 – 13 – 14 – 15 – 16 – 17 – 18 –19 –20 – 21 – 22 – 23 – 24 – 25 – 26 – 27 – 28 – 29 – 30 – 31 – 32 – 33 || Россия – Европа – Азия – Африка – Австралия – Северная Америка – Южная Америка

Читать еще:  Самые лучшие сорта кофе в мире – ликбез по элитному кофе

Кристаллы_выращивание (в домашних условиях) \ ” Для получения кристаллов лучше всего использовать дихромат калия, буру, сульфаты никеля, меди и железа, алюминиевые и хромовые квасцы и другие соли. ” Продолжение – http://www.edu.yar.ru/russian/cources/chem/op/op1.html

23 марта 2012 в клубе друзей минералогии Глеб Вертянкин (Воронежский ун-т) рассказал о своем о п ыте выращивания кристаллов в домашних условиях ( около 30 различных соединений)

Искуственные кристаллы, выращенные Г. Вертянкиным (есть фото)

Чёрные – перманганат калия, самый удачный вариант – растёт крайне плохо.
Белые в банке – нафталин.
Жёлтый – желтая кровянай я соль.
Два зелёных – сульфат железа.
Первые два белых – тиокарбамид.
Предпоследний – лимонная кислота.
Последний – дендритные калиево-алюминиевые квасцы.

1. Халькантит синтетический. Выращен на виноградной лозе в домашних условиях. Время роста 14 дней.Образец: Мин. музей им. А.Е. Ферсмана РАН. Фото 1-2: © А.А. Евсеев. 2 . Слева направо: Г. Вертянкин, Б.И. Вайнтруб и другие у витрины с искуственными кристаллами. .Мин. музей им. А.Е. Ферсмана РАН. 2012. 03. 23. Фото: © А. Евсеев.

1 Ацетат меди (искуственный). 2. Дихромат калия (искуственный). Образец и фото 1-2: Г. Вертянкин.

Сегнетова соль (искуственный кристалл). Образец и фото: Г. Вертянкин.

Аметрин

Аметрин синтетический. Образец: ФМ . Фото: © А.А. Евсеев.

Аммоний-алюминиевые квасцы. Выращены в домашних условиях. Более 6 см. Образец: ФМ (К 4900. Вайнтруб Б.И. Д.П., 2002). Фото: © А.А. Евсеев.

Висмут синтетический (из коллекции XIX века). Более 15 см (верх. фото). Образец: ФМ (№93031. Коллекция: Кочубей П.А. Поступление в музей 1913 г., а в коллекцию – до 1892 г.). Фото 1-2: © А.А. Евсеев

Висмут синтетический. Более 6 см. Образец: ФМ (К 4777. Дар: Дорфман М.Д., 2002). Фото 1-2: © А.А. Евсеев

Дигидрофосфат аммония. Искусственно выращенный кристалл. 29х6х6 см. Образец: ФМ (К 4815). Фото: © А.А. Евсеев.

Кварц

Кварц синтетический. Образец: ФМ (К 4992. Дар: Белаковский Д.И. 2010). Фото: © А.А. Евсеев.

Синтетический кварц. Большой кристалл

20 см. Образцы: ФМ . Фото: © А.А. Евсеев.

Синтетический кварц. Образец: Геологический музей им. В.В. Ершова (МГГУ). Фото: А. Евсеев

Щетка синтетического кварца. Более 30 см. Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана РАН. 2009.12.25. Фото: А. Евсеев.

Кварц синтетический. Производство ВНИИСИМС, г. Александров. Более 10 см. Образец: ФМ (К 4842. Дар: ВНИИСИМС, 2000 г.). Фото 1-2: © А.А. Евсеев.

Красная кровяная соль. Высота более 10 см. Друза выращена в домашних условиях, время роста 2 месяца. Образец: ФМ (К 4937. Дар: Вайнтруб Б.И., 2005). Фото: © А.А. Евсеев.

Искуственные кристаллы металлического олова. Сросток 3,5х2,5 см. Новосибирский оловокомбинат. Образец: Минер. музей РГГРУ (Дар: Иванов О.П., 2010.). Фото : © А.А. Евсеев.

Сахар

Искусственно выращенный кристалл сахара. 7х6х4,5 см. Образец: ФМ (К 4814). Фото: © А.А. Евсеев.

Фторфлогопит синтетический. Более 10 см. Образец: ФМ (К 3535. Аникин И.Н., 1967). Фото: © А.А. Евсеев.

Халькантит

Халькантит синтетический. Выращен на виноградной лозе в домашних условиях. Время роста 14 дней.Образец: Мин. музей им. А.Е. Ферсмана РАН. Фото 1-2: © А.А. Евсеев.

Цирконий искусственный. Фрагмент более 10 см. Образец: ФМ (К 3779. ИМЕТ АН СССР, 1972). Фото: © А.А. Евсеев.

Чермигит

В продаже часто встречаются образцы “чермигита” в виде крупных хорошего качества фиолетовых кристаллов на подложке – искусственно созданные образцы, полученные при выращивании аммониевых квасцов в лаборатории Note: Specimens frequently offered for sale of ‘tschermigite’ as large, good quality purple crystals on matrix are artificially created specimens made by growing crystals of this ammonium alum in a laboratory. Источник: http://www.mindat.orgl

Чермигит. Синтетические кристаллы. Образец: Мин. музей им. А.Е. Ферсмана РАН. Фото: © А.А. Евсеев. \ НМК-123

Чермигит синтетический. Кристаллы до 4 см. Образец: ФМ (К 4880. Приобретение. 2002 г.). Фото 1-2: © А.А. Евсеев.

Синтетические минералы в экспозиции Минер. музея им. А.Е. Ферсмана РАН. Фото: © А.А. Евсеев.

Искусственные кристаллы (сувенир “Каменный цветок”). Краев. музей Ловозер. ГОКа (Ревда, Мурманская обл.). Фото: © А.А. Евсеев.

Хлорид кальция, образующийся при травлении образцов с шх. “Северопесчанская” . Образец и фото: © М. Цыганко.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector