Искусственные кристаллы и их использование в современной технике. 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.
wiseanswers.ru
Синтетические кристаллы
кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа С. к. около 104 относятся к неорганическим веществам. Некоторые из них не встречаются в природе. Однако первое место занимают органические С. к., насчитывающие сотни тысяч разнообразных составов и вообще не встречающиеся в природе. С другой стороны, из 3000 кристаллов, составляющих многообразие природных Минералов, искусственно удаётся выращивать только несколько сотен, из которых для практического применения существенное значение имеют только 20—30 (см. табл.). Объясняется это сложностью процессов кристаллизации (См. Кристаллизация) и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания Монокристаллов.
Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16—17 вв., состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллических веществ, встречающихся в виде кристаллов в природе (Сульфаты, галогениды). После расшифровки состава природных минералов появились попытки синтеза минералов из порошков с использованием техники обжига. Этим методом были получены мелкие С. к. В начале 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Федоров (См. Фёдоров) и Г. В. Вульф, которые исследовали условия кристаллизации воднорастворимых соединений и усовершенствовали аппаратуру. В дальнейшем А. В. Шубников разработал общие принципы образования кристаллов из водных растворов [сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др., см. рис. 1, 3, 4] и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика С. к.
С. к. кварца получают в гидротермальных условиях. Маленькие «затравочные» кристаллы различных кристаллографических направлений вырезаются из природных кристаллов кварца. Хотя Кварц широко распространён в природе, однако его природные запасы не покрывают нужд техники, кроме того, природный кварц содержит много примесей. С. к. кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут несколько лет (рис. 5, 6).
Наиболее распространённые синтетические кристаллы
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Название | Химическая | Методы | Средняя | Области применения |
| | формула | выращивания | величина | |
| | | | кристаллов | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кварц | SiO2 | Гидротермаль- | От 1 до 15 кг, | Пьезоэлектрические |
| | | ный | 300×200×150 мм | преобразователи, |
| | | | | ювелирные изделия, |
| | | | | оптические приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Корунд | Al2O3 | Методы Вернейля | Стержни | Приборостроение, |
| | | и Чохральского, | диаметром 20— | часовая |
| | | | 2 м, пластинки | ювелирные изделия |
| | | | 200×300×30 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Германий | Ge | Метод | От 100 г до 10 | Полупроводниковые |
| | | Чохральского | кг, цилиндры 200 | приборы |
| | | | мм ´ 500 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кремний | Si | То же | То же | То же |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Галогениды | KCl, NaCl | То же | От 1 до 25 кг, | Сцинтилляторы |
| | | | | |
| | | | 100×100×600 | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сегнетова соль | KNaC4h5O6×4h3O | Кристаллизация из | От 1 до 40 кг, | Пьезоэлементы |
| | | | 500×500×300 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Дигидрофосфат | Kh3PO4 | То же | От 1 до 40 кг, | То же |
| калия | | | | |
| | | | 500×500×300 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюмоиттрие- | Y3Al5O12 | Метод | 40×40×150 мм | Лазеры, ювелирные |
| вый гранат | | Чохральского, | | изделия |
| | | зонная плавка | 30×200×150 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Иттриево-же- | Y3Fe5O12 | Кристаллизация из | 30×30×30 мм | Радиоакустическая |
| лезистый гранат | | растворов- | | промышленность, |
| | | расплавов | | электроника |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Гадолиний- | Gd3Ga5O12 | Метод | 20×30×100 мм | Подложки для |
| галлиевый гранат | | Чохральского | | магнитных плёнок |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алмаз | C | Кристаллизация | От 0,1 до 3 мм | Абразивная |
| | | при сверхвысоких | | промышленность |
| | | давлениях | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ниобат лития | LiNbO3 | Метод | 10×10×100 мм | Пьезо- и |
| | | Чохральского | | сегнетоэлементы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Нафталин | C10H8 | Метод Киропулоса | Блоки в | Сцинтилляционные |
| | | | несколько кг | приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Бифталат калия | C8H5O4K | Кристаллизация из | 40×100×100 мм | Рентгеновские |
| | | водных растворов | | анализаторы, |
| | | | | нелинейная оптика |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кальцит | CaCO3 | Гидротермальный | 10×30×30 мм | Оптические приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфид кадмия | CdS | Рост из газовой | Стержни 20×20× | Полупроводниковые |
| | | фазы | 100 мм | приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфид цинка | ZnS | То же | Стержни 20×20× | |
| | | | 100 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Арсенид галлия | GaAs | Газотранспорт- | Стержни 20×20× | |
| | | ные реакции | 100 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Фосфид галлия | GaP | То же | То же | То же |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Молибдаты | Y2(MoO4)3 | Комбинирован- | 10×10×100 мм | Лазеры |
| редкоземельных | | ный метод | | |
| элементов | | Чохральского | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Двуокись циркония | ZrO2 | Высокочастот- | Блоки около 2 кг, | Ювелирные изделия |
| | | ный нагрев в | столбчатые | |
| | | холодном | кристаллы 100×
Поделитесь на страничкеslovar.wikireading.ru
ВОЛШЕБНЫЙ МИР КРИСТАЛЛОВ | Rainboway
Дорогие друзья, сегодня я приглашаю вас совершить путешествие в прекрасный и таинственный Мир Кристаллов.
Нас всех с детства манили и притягивали к себе разноцветные камушки. Интуитивно мы чувствовали в них какую-то загадочность и не могли оторвать глаз от их естественной природной красоты. Нам всегда хотелось узнать по-больше о кристаллах, как они формируются, растут, какова их структура, функция и что их делает такими не похожими друг на друга. Нам хотелось узнать как они влияют на окружающую природу, на людей. Что в них такое сокрыто, что делает их настоящим кладезем знаний.
На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в рамках этой статьи.
В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые непогрешимо строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями — гранями, пересекающимися по прямым линиям — ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.
Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов.
Кристаллами называются все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток.
Ниже приводится схематическое изображение кристаллических решеток поваренной соли и алмаза:
| Поваренная соль | Алмаз |
Возможно вы считаете, что кристалл — это редкий и красивый минерал или драгоценный камень. Отчасти вы правы. Изумруды и бриллианты являются кристаллами. Но не все кристаллы редки и красивы. Каждая отдельная частица соли или сахара — тоже кристалл! Многие из самых обычных веществ вокруг нас представляют из себя кристаллы.
В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода — одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки.
ОБ ОБРАЗОВАНИИ КРИСТАЛЛОВ
Минеральные кристаллы образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать.
Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии. В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов.
Минералы являются частью земной коры, и составляют внутреннюю структуру планеты. Они образуются из расплавленной магмы, находящейся в глубинных слоях Земли, и затвердевающей при выходе. Под воздействием различных природных условий постепенно происходят сдвиги земной коры, отдельные её слои опять опускаются и расплавляются. Кристаллы и есть продукты этого геологического циклического процесса.
Каждый кристалл состоит из миллионов отдельных структурных элементов, называемых монокристаллами и образующих кристаллическую решётку. Элементарная ячейка кристаллической решётки представляет собой квадрат, в каждом углу которого находится атом. В кристаллах кварца — это атомы кремния и кислорода.
Природные кристаллы кварца, добытые из земли, реагируют на сжатие и деформацию. В них появляются электрические заряды (пьезоэлектричество).
При нагреве кристалла кварца нарушается устойчивость его атомной структуры. Стремление природных сил к её восстановлению приводит к перераспределению электрических зарядов, и возникновению поляризации. Это называется пьезоэлектричеством.
Поскольку мысль — это энергия, значит, мы можем передать её наподобие электрического тока. Кристалл реагирует на эти токи, как и на любую другую энергию. Они могут хранить в своей памяти отношение к ним людей, которые извлекли их из земли и обработали. Мы можем «очищать», «исцелять», «программировать» камни, проецируя в них свои энергии.
ВИДЫ И ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ
Царь всех кристаллов — алмаз
Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры.
Множество всех кристаллов можно классифицировать, разбить на несколько типов и видов, используя тот или иной характерный критерий классификации.
Рассмотрим несколько из них.
Во-первых, кристаллы следует разделить на две большие группы: идеальные и реальные.
Идеальные кристаллы – это математическая абстракция, используемая учеными для описания свойств настоящих кристаллов. Характерными признаками идеального кристалла являются гладкие грани, строгий дальний порядок, определенная симметрия кристаллической решетки и прочие характерные для кристалла параметры.
Реальные кристаллы – это те кристаллы, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни. Они имеют различные примеси, которые могут понижать симметрию кристаллической решетки, шероховатые грани, могут иметь не правильную форму, дефекты оптических свойств (если кристалл прозрачный). Но есть одно свойство, которое присуще как идеальному, так и реальному кристаллам — это дальний порядок, правило, по которому атомы располагаются в кристаллической решетке.
Еще одним критерием деления кристаллов на виды является их происхождение. По этому критерию кристаллы делятся на природные (естественные) и искусственные (выращенные человеком).
Природные кристаллы вырастают в недрах нашей планеты в естественных для роста условиях.
Искусственные кристаллы выращиваются в лабораториях или в домашних условиях. «Ростовики» сами создают необходимые условия для выращивания того или иного кристалла. К примеру кристаллы медного купороса можно с легкостью вырастить дома. Многие кристаллы могут быть выращены как самой природой, так и людьми , но существует множество примеров кристаллов, которые в природе «не произрастают». Единственный способ получить их — это вырастить в лаборатории.
Кристаллы также можно разделить по чисто эстетико-экономическому критерию на два вида —драгоценные и не драгоценные.
Драгоценные ( кристаллы ) камни – минералы, обладающие двумя основными характеристиками «драгоценности»: красота и редкость. Названия многих вам известны: алмаз, аметист, рубин, сапфир, изумруд, топаз и т.д.
СТРУКТУРА И МЕТАФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы с одной вершиной, это 6-гранные кристаллы, их грани сходятся в одной точке, образуя пирамидальную вершину. Большие кристаллы такого типа с широким основанием, что позволяет им стоять, называются генераторными. Считается, что через них передаётся энергия Вселенной. Небольшие генераторные кристаллы используются для концентрации и передачи энергии от одной чакры к другой.
Генераторный кристалл кварца
Иногда у них есть ещё дополнительная ромбовидная грань, расположенная слева или справа от центральной грани. Если она на правой стороне, когда вы смотрите прямо на кристалл, его называют «правым», а если на левой стороне то «левым».
«Левый» кристалл
Большинство же кристаллов представляют собой сочетание обоих типов. Правое полушарие «чувствует и слушает», а левое «думает и действует», поэтому если вы хотите лучше понимать, ощущать, чувствовать, хотите развить свою интуицию, то лучший кристалл для вас — «левый». Если вам надо быть более напористым и решительным в действиях выбирайте «правый» кристалл.
Кристалл-передатчик в центре имеет чётко выраженную треугольную грань. Кристалл такого типа, когда его держишь, помогает направить или передать целительную энергию. Он не заменяет то, что можно сделать руками, но очень и очень усиливает. Такой кристалл можно использовать при лечении отсутствующего человека. На листке напишите имя человека и, поставьте сверху кристалл или возьмите его в руку и сосредоточьте свои мысли на том, в чём нуждается тот человек. На самом деле, здесь нет необходимости в другой энергии, кроме любви и света! Кристалл передаст вашу энергию любви семье, друзьям, тем людям, которые в вас нуждаются.
Воспринимающие или восприимчивые кристаллы имеют семистороннюю плоскую основную грань, такой кристалл может вытягивать боль. Для достижения такого эффекта его надо держать в левой руке. Можно брать такой кристалл в постель ночью и класть рядом с больным местом. Заживление происходит значительно быстрее. Воспринимающий кристалл особенно хорош при медитации, он позволяет легче расслабиться и прийти в нужное состояние. Он также стимулирует и нашу способность слышать самих себя, следовать своему внутреннему голосу. Хорошо их держать в своей постели, они помогают видеть сны и помнить их после пробуждения.
Кристаллы с двумя вершинами символизируют единство противоположностей — Инь и Янь. Генераторный кристалл и кристалл с двумя завершениями являются одновременно и приемником, и передатчиком энергии, дают преобразование в двух направлениях, используются для устранения отрицательной энергии. В медитации они служат для равновесия духа и материи. Эти кристаллы содержат в себе силу противоположностей, поэтому помогают нам познать жизнь и смерть, добро и зло, страх и радость. Другими словами, они стимулируют нас изучать крайности в нас самих, что не всегда приятно, и находить точку равновесия.
Такие кристаллы полезны, когда у вас имеются проблемы в общении с другими людьми, потому что помогают нам услышать «оппозицию». Если вы в этом и нуждаетесь, то выбирайте такой кристалл, но если вы плохо знаете кристаллы, то лучше взять кристалл с одним завершением. В кристалле прозрачная вершина проводит «мужскую» энергию, а менее прозрачная вершина — «женскую». «Мужское» остриё светится красным светом, а «женское» — голубым.
Понятно, что женщины поворачивают к себе кристалл прозрачной вершиной, и получают приток янской энергии, а мужчины — непрозрачной и получают иньскую энергию.
Кристалл с двумя вершинами
Пластинчатые кристаллы — таблички, это такие кристаллы, у которых 2 из 6 боковых граней шире остальных.
Они могут быть с 1 или 2 вершинами, а также частью сростка нескольких кристаллов. Такие кристаллы используются в телепатическом исцелении и общении. В практике они применяются для уравновешивания энергий двух людей или двух чакр, либо в период развития личности при переходе на следующий уровень сознания.
Пластинчатые кристаллы
Радужные кристаллы . Радуга образуется из-за удара и образования внутренней трещины, чья плоскость преломляет свет и раскладывает его на 7 составляющих цветов.
Такие кристаллы особенно радостные и любящие. Они напоминают о том, что перенесённые нами самими удары способны приносить с собой красоту и радость. Если вы угнетены или расстроены, носите кристалл с собой в кармане. Вскоре вы почувствуете себя лучше.
Они применяются для снятия депрессии и разочарования. Если положить такой кристалл на Анахату, то он поможет человеку ощутить радость. Такой кристалл является мостом, связывающим этот и высшие миры, и часто даёт стимул к изменению своей жизни.
Кристаллы — призраки . Это кристаллы с включением каких-либо элементов.
На какой-то стадии кристалл перестаёт расти, и на его гранях осаждается другой материал. Потом опять начинается рост кристалла вокруг осаждённых частиц. Контур «призрака» показывает, где прекратился его рост, он похож на призрачный контур другого кристалла.
Так как с кристаллом слился другой природный элемент, он может помочь открыть нам чудеса природы. Если вы хотите разговаривать со своими комнатными растениями, используйте кристалл-призрак в качестве посредника. Особенно, если растение ослаблено.
Очень эффективно использование таких кристаллов на садовом участке для получения богатого урожая.
Цитрин — призрак
Двойниковые кристаллы — это два кристалла, сросшиеся друг с другом.
Кристалл самоисцелившийся и «левый» кристалл
Они могут быть одинаковых размеров, но иногда один из них превосходит другой. Взаимно поддерживая д
rainboway.info
Синтетические кристаллы - это... Что такое Синтетические кристаллы?
Наиболее распространённые синтетические кристаллы
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Название | Химическая | Методы | Средняя | Области применения |
| | формула | выращивания | величина | |
| | | | кристаллов | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кварц | SiO2 | Гидротермаль- | От 1 до 15 кг, | Пьезоэлектрические |
| | | ный | 300×200×150 мм | преобразователи, |
| | | | | ювелирные изделия, |
| | | | | оптические приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Корунд | Al2O3 | Методы Вернейля | Стержни | Приборостроение, |
| | | и Чохральского, | диаметром 20— | часовая |
| | | зонная плавка | 40 мм, длиной до | промышленность, |
| | | | 2 м, пластинки | ювелирные изделия |
| | | | 200×300×30 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Германий | Ge | Метод | От 100 г до 10 | Полупроводниковые |
| | | Чохральского | кг, цилиндры 200 | приборы |
| | | | мм ´ 500 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кремний | Si | То же | То же | То же |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Галогениды | KCl, NaCl | То же | От 1 до 25 кг, | Сцинтилляторы |
| | | | | |
| | | | 100×100×600 | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сегнетова соль | KNaC4h5O6×4h3O | Кристаллизация из | От 1 до 40 кг, | Пьезоэлементы |
| | | растворов | | |
| | | | 500×500×300 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Дигидрофосфат | Kh3PO4 | То же | От 1 до 40 кг, | То же |
| калия | | | | |
| | | | 500×500×300 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюмоиттрие- | Y3Al5O12 | Метод | 40×40×150 мм | Лазеры, ювелирные |
| вый гранат | | Чохральского, | | изделия |
| | | зонная плавка | 30×200×150 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Иттриево-же- | Y3Fe5O12 | Кристаллизация из | 30×30×30 мм | Радиоакустическая |
| лезистый гранат | | растворов- | | промышленность, |
| | | расплавов | | электроника |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Гадолиний- | Gd3Ga5O12 | Метод | 20×30×100 мм | Подложки для |
| галлиевый гранат | | Чохральского | | магнитных плёнок |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алмаз | C | Кристаллизация | От 0,1 до 3 мм | Абразивная |
| | | при сверхвысоких | | промышленность |
| | | давлениях | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ниобат лития | LiNbO3 | Метод | 10×10×100 мм | Пьезо- и |
| | | Чохральского | | сегнетоэлементы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Нафталин | C10H8 | Метод Киропулоса | Блоки в | Сцинтилляционные |
| | | | несколько кг | приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Бифталат калия | C8H5O4K | Кристаллизация из | 40×100×100 мм | Рентгеновские |
| | | водных растворов | | анализаторы, |
| | | | | нелинейная оптика |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кальцит | CaCO3 | Гидротермальный | 10×30×30 мм | Оптические приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфид кадмия | CdS | Рост из газовой | Стержни 20×20× | Полупроводниковые |
| | | фазы | 100 мм | приборы |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфид цинка | ZnS | То же | Стержни 20×20× | |
| | | | 100 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Арсенид галлия | GaAs | Газотранспорт- | Стержни 20×20× | |
| | | ные реакции | 100 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Фосфид галлия | GaP | То же | То же | То же |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Молибдаты | Y2(MoO4)3 | Комбинирован- | 10×10×100 мм | Лазеры |
| редкоземельных | | ный метод | | |
| элементов | | Чохральского | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Двуокись циркония | ZrO2 | Высокочастот- | Блоки около 2 кг, | Ювелирные изделия |
| | | ный нагрев в | столбчатые | |
| | | холодном | кристаллы 100× | |
| | | контейнере | 10×50 мм | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Двуокись гафния | HfO2 | То же | То же | То же |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Вольфрамат | CaWO4 | То же | 10×10×100 мм | Лазеры |
| кальция | | | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюминат иттрия | IAlO3 | Метод | 10×10×100 мм | То же |
| | | Чохральского | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюминий (трубы | Al | Метод Степанова | Длина 103 мм, | Металлургия |
| разных сечений) | | | диаметр 3—200 | |
| | | | мм | |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных (См. Драгоценные и поделочные камни) и поделочных камней (См. Поделочные камни). Поэтому усилия многих учёных были направлены на синтез алмаза, рубина, аквамарина, сапфира и др. В начале века были получены С. к. Рубина из растворов в расплавах поташа и соды в виде кристалликов темно-малинового цвета. Позже (в конце 19 в.) французский учёный Вернейль изобрёл специальный аппарат для получения С. к. рубина, который в дальнейшем был усовершенствован. Порошок Al2O3 с добавкой нескольких % Cr2O3 непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. Капли расплавленной массы попадают затем на более холодный участок затравки и тотчас же кристаллизуются. В СССР работают аппараты системы С. К. Попова, которые позволяют получать С. к. рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40 мм и Длина до 2 м — для Лазеров, нитеводителей, а также для стекол космических приборов. Большую долю С. к. рубина потребляет часовая промышленность, но основным потребителем синтетического рубина является ювелирная промышленность. Добавка к Al2O3 примесей солей Ti, Со, Ni и других позволяет получить С. к. различной окраски, имитирующие окраску Сапфиров, Топазов, Аквамаринов (рис. 7, 8) и других природных драгоценных камней. С. к. Алмаза были получены в 50-х гг. из порошка графита, смешанного с Ni. Смесь прессуется в виде небольших (2—3 см) дисков, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000 °С при давлении в 100—200 тыс. am. В этих условиях графит превращается в алмаз. Величина С. к. алмаза порядка десятых долей мм. В особых условиях удаётся получить С. к. алмаза до 2—3 мм. В СССР создана алмазная промышленность для нужд главным образом буровой техники. С. к. алмазов, конкурирующие с природными ювелирными образцами, пока получены в небольших количествах. Начиная с 50-х гг. развивается промышленность органических С. к. — Нафталина, Стильбена, толана, Антрацена и др., применяющихся в сцинтилляционных устройствах (см., например, Сцинтилляционный счётчик). Синтез этих кристаллов осуществляется в основном методом Чохральского. По размерам эти С. к. соперничают с крупными неорганическими (воднорастворимыми) кристаллами. Наиболее применяемые полупроводниковые кристаллы (Ge, Si, Ga, As и др.) в природе не встречаются. Все они выращиваются из расплавов в виде цилиндров диаметром от 10 до 20 см и Длина 30—50 см. В лабораторных условиях из растворов расплавов выращивают С. к. феррогранатов и Изумрудов. Однако промышленного развития эти методы ещё не получили. Развиваются исследования, связанные с промышленным выпуском синтетических драгоценных камней на основе алюмоиттриевых гранатов (гранатиты) (рис. 2а, 2б) и двуокисей циркония и гафния (фианиты). Это — С. к. с окраски, имитирующие изумруды, топазы и алмазы за счёт большого широкой гаммой преломления света.
Лит.: Федоров Е. С., Процесс кристаллизации, «Природа», 1915, декабрь; Вульф Г. В., Кристаллы, их образование, вид и строение, М., 1917; Шубников А. В., Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Аншелес О. М., Татарский В. Б., Штернберг А. А., Скоростное выращивание однородных кристаллов из растворов, [Л.], 1945; Попов С. К., Новый производственный метод выращивания кристаллов корунда, «Изв. АН СССР. Серия физическая», 1946, т. 10,№5—6; Штернберг А. А., Кристаллы в природе и технике, М., 1961; Условия роста и реальная структура кварца, в кн.: IV Всесоюзное совещание по росту кристаллов, Ер., 1972, ч. 2, с. 186; Мильвидский М. Г., Освенский В. Б., Получение совершенных монокристаллов полупроводников при кристаллизации из расплава, там же, ч. 2, с. 50; Багдасаров Х. С., Проблемы синтеза крупных тугоплавких оптических монокристаллов, там же, ч. 2, с. 6; Тимофеева В. А., Дохновский И. Б., Выращивание иттриево-железистых гранатов из растворов — расплавов на точечных затравках в динамическом режиме, «Кристаллография», 1971, т. 16, в. 3, с. 616; Яковлев Ю. М., Генделев С. Ш., Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике, М., 1975.
В. А. Тимофеева.
Рис. 3. Синтетические кристаллы. Дигидрофосфат калия.
Рис. 4. Синтетические кристаллы. Сегнетова соль.
Рис. 5. Синтетические кристаллы. Кварц.
Рис. 6. Синтетические кристаллы. Рубин.
Рис. 7. Синтетические кристаллы. Аквамарин (на основе кварца).
Синтетические кристаллы. Кварц.
Рис. 2б. Изделия из алюмогранатов.
Рис. 1. Синтетические водорастворимые кристаллы.
Рис. 2а. Синтетические кристаллы феррогранатов.
dic.academic.ru
Искусственные кристаллы - стр.2
Искусственные кристаллы
С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До XX в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 г. удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в 1940-х годов, были синтезированы изумруды, а в 1955 г. фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.
Многие технологические потребности в кристаллах являлись 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, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450 о С и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050 о С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.
Применение жидких кристаллов в устройствах
отображения информации
В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
В конце девятнадцатого – начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ оказывались существенно различными. Одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В 20-е годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу назвал нематическими, другую – смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов (мезоморфная фаза). Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминающиеся выше холестерические жидкие кристаллы как класс. Самые «кристаллические» среди жидких кристаллов – смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они «понимают» команду «равняйся» и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах – на нематических.
Применение
Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется в медицинской диагностике. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявить затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета, нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.
Применение жидких кристаллов в будущем
Управляемые оптические транспаранты. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями непринципиального, а технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако в связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера, могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. Принцип записи изображения очень прост. В отсутствии подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствует напряжению на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке – теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия слоя.
Очки для космонавтов
Знакомясь с маской для электросварщика и очками для стереотелевидения, заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Существует ситуация, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения.
Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры. В этих очках поле зрения каждого глаза теперь должен перекрыть не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть зрения глаза.
Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но и людям других профессий, например, для пилотов современных самолетов, где огромное количество приборов. Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной информации.
Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали; совершающие механические движения. Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это диафрагмы, фильтры – ослабители светового потока, наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизированные с перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование.
Фотонные кристаллы – один из объектов нанотехнологии, междисциплинарной области, которая служит основой техники XXI в. во всех областях человеческой деятельности (информатики, медицины, технологии металлов и пр.). Термин «фотонный кристалл» появился в 80-х годах XX века.
Последние 10 лет наблюдается повышенный интерес к фотонным кристаллам и устройствам на их основе как со стороны физиков, так и со стороны ведущих предприятий высоких технологий и предприятий военно-промышленного комплекса. Ситуацию сравнивают с периодом бурного развития в 1960-х годах интегральной микроэлектроники, и определяется она возможностью создания оптических микросхем по аналогии со схемами классической микроэлектроники. Открылась возможность принципиально новых способов хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа (фотоника). Предполагается создание лазеров нового типа, с низким порогом генерации, оптических переключателей. Однако создание трехмерных фотонных кристаллов (а именно они должны привести к принципиальным изменениям в технике) является достаточно сложной задачей.
Фотонные кристаллы открыли удивительную возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком. Парадоксальная ситуация «остановки фотона», масса которого равна нулю, не противоречит законам физики, так как речь идет не о свободном фотоне, взаимодействующем с периодической структурой. Его уже окрестили тяжелым фотоном. Тяжелые фотоны планируют использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.
Вторая, уже реальная в ближайшее время, область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике.
В 2004 г. появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 мм, вводили коллоидные частицы селенида кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией – для мини-лазеров и светодиодов.
Происхождение и строение драгоценных камней
Все драгоценные камни, за редким исключением, принадлежат миру минералов. Напомним об их происхождении и строении. Об условиях образования драгоценных камней, не являющихся минералами в строгом смысле этого слова (например, янтаря, кораллов и жемчуга).
Минералы могут возникать разными способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов и газов в недрах Земли или из вулканических лав, извергнутых на ее поверхность (магматические минералы). Другие выпадают из водных растворов либо растут с помощью организмов на (или вблизи) земной поверхности (осадочные минералы). Наконец, новые минералы образуются путем перекристаллизации уже существующих минералов под влиянием больших давлений и высоких температур в глубинных слоях земной коры (метаморфические минералы).
Химический состав минералов выражают формулой. Примеси при этом не учитывают, даже если они вызывают появление цветовых оттенков, вплоть до полного изменения цвета минерала. Почти все минералы кристаллизуются в определенных формах. То есть представляют собой кристаллы однородные по составу тела с регулярным расположением атомов в решетке. Кристаллы характеризуются строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно гладкими плоскими гранями. В большинстве своем кристаллы мелки, но встречаются гигантские экземпляры. Внутренняя структура кристаллов определяет их физические свойства, в том числе внешнюю форму, твердость и способность раскалываться, тип излома, плотность и оптические явления.
Основные понятия
Самоцвет или драгоценный камень. Всю эту группу камней отличает одна общая черта – особая красота. Прежде самоцветами называли лишь немногие камни. Нынче число их резко возросло и продолжает увеличиваться. В большинстве своем это минералы, гораздо реже – горные породы. К драгоценным камням относят также некоторые минералы органического происхождения: янтарь, коралл и жемчуг. Даже ископаемые органические останки (окаменелости) используются в качестве украшений. По своему назначению к драгоценным камням близок ряд других ювелирных материалов: дерево, кость, стекло и метал.
Полудрагоценный камень – понятие пока еще бытующее в торговле, но, однако в виду заложенного в нем умаляющего смысла употреблять его не следует. Прежде полудрагоценными называли менее ценные и не очень твердые камни, противопоставляя их «настоящим» драгоценным камням.
Поделочный камень. Это собирательный термин, который относится ко всем камням, используемым как в качестве украшения, так и для производства камнерезных изделий. Иногда поделочными называют менее ценные или непрозрачные камни.
Ювелирное изделие. Под ювелирным изделием понимают украшение, состоящее из одного или нескольких драгоценных камней, оправленных в благородный металл. Иногда ювелирными изделиями называют и шлифованные камни без оправы, а также украшения из драгоценных металлов без камней.
Самоцветы и поделочные камни
Самоцветы известны человеку уже более семи тысячелетий. Первыми из них были: аметист, горный хрусталь, янтарь, нефрит, кораллы, лазурит, жемчуг, серпентин, изумруд и бирюза. Эти камни долгое время оставались доступными лишь представителям привилегированных классов и не только служили украшением, но и символизировали общественный статус их владельцев.
Вплоть до начала XIX в. драгоценные камни использовали даже в лечебных целях. В одних случаях считалось достаточным иметь определенный камень, а в других – его накладывали на больное место, в третьих – толкли в порошок и принимали внутрь. Старинные лечебники содержат «точные» сведения, какой камень может помочь в той или иной болезни. Лечение драгоценными камнями получило название литотерапии. Порой оно приносило успех, однако его следует приписывать не самому камню, а психологическому внушению, оказавшему благотворное действие на больного. Неудачи в лечении объяснялись тем, что камень оказался «ненастоящим». В Японии и сегодня продаются в медицинских целях таблетки из истолченных в порошок жемчужин (то есть из углекислого кальция).
И в современных религиях драгоценным камням отведено отдельное место. Так, четырьмя рядами драгоценных камней украшен нагрудник иудейского первосвященника. Подобные камни сверкают на тиарах и митрах папы и епископов христианской церкви, а также на ковчегах, дароносицах, раках и окладах икон.
Спайность и излом
Многие минералы раскалываются или расщепляются по ровным плоским поверхностям. Это свойство минералов называется спайностью и зависит от строения их кристаллической решетки, от сил сцепления между атомами. Различают спайность весьма совершенную (эвклаз), совершенную (топаз) и несовершенную (гранат). У целого ряда драгоценных и поделочных камней (например, у кварца) она вообще отсутствует. Отдельностью называется способность кристалла раскалываться в определенных участках по параллельно ориентированным поверхностям.
Наличие спайности необходимо учитывать при шлифовке и огранке камней, а также при вставке их в оправу. Сильное механическое воздействие может вызвать раскол (трещину) по спайности. Часто для этого бывает достаточно легкого удара или чрезмерного надавливания при определении твердости. Прежде спайность использовалась для аккуратного расчленения крупных камней на части или для отделения дефектных участков. Теперь подобные операции выполняются преимущественно путем распиловки, что позволяет лучше использовать форму камня, а также избежать нежелательных трещин и расколов.
Форму поверхности фрагментов, на которые распадается минерал при ударе, называют изломом. Он бывает раковистым (похожим на отпечаток раковины), неровным, занозистым, волокнистым, ступенчатым, ровным, землистым и пр. Иногда излом может служить диагностическим признаком, позволяющим различать сходные по внешнему облику минералы. Раковистый излом типичен, например, для всех разновидностей кварца и для имитации драгоценных камней из стекла.
Плотность
Плотностью (прежде ее именовали удельным весом) называется отношение массы вещества к массе того же объема воды. Следовательно, камень, имеющий плотность 2,6, во столько же раз тяжелее равного объема воды.
Плотность драгоценных камней колеблется от 1 до 7. Камни с плотностью ниже 2 кажутся нам легкими (янтарь 1,1), от 2 до 4 – нормальной тяжести (кварц 2,65), и выше 5 – тяжелыми (касситерит 7,0). Наиболее дорогие камни, такие, как алмаз, рубин, сапфир, имеют более высокую плотность, чем главные породообразующие минералы, прежде всего кварц и полевой шпат.
Меры массы драгоценных камней
Карат – единица массы, бытующая в торговле драгоценными камнями и в ювелирном деле с античных времен. Не исключено, что само слово «карат» происходит от местного названия (kuara) африканского кораллового дерева, семена которого использовались для взвешивания золотого песка, но более вероятно, что оно ведет начало от греческого названия (keration) широко распространенного в Средиземноморье рожкового дерева, плоды которого изначально служили «гирьками» при взвешивании драгоценных камней (масса одной гирьки в среднем примерно равна карату).
Грамм – единица массы, используемая в торговле ювелирными камнями для менее дорогих камней, и особенно для необработанного камнецветного сырья (например, группы кварца)
Гран – мера массы жемчуга. Соответствует 0,05 г, то есть 0,25 кар. Сейчас гран все более вытесняется каратом.
Цена. В торговле драгоценными камнями обычно указывается цена за 1 карат. Чтобы вычислить полную стоимость камня, надо перемножить цену и его массу в каратах.
Оптические свойства
В ряду физических свойств драгоценных камней оптические свойства играют главенствующую роль; определяя их цвет и блеск, сверкание, «огонь» и люминесценцию, астеризм, иризацию и прочие световые эффекты. При испытании и идентификации драгоценных камней также все большее место отводится оптическим явлениям.
Цвет
Цвет – первое, что бросается в глаза при взгляде на всякий драгоценный камень. Однако для большинства камней их цвет не может служить диагностическим признаком, так как многие из них окрашены одинаково, а некоторые выступают в нескольких цветовых обличиях.
Причиной различных окрасок является свет, то есть электромагнитные колебания, лежащие в определенном интервале длин волн. Человеческий глаз воспринимает только волны так называемого оптического диапазона – примерно от 400 до 700 нм. Эта область видимого света подразделяется на семь главных частей, каждая из которых соответствует определенному цвету спектра: красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему, фиолетовому. При смешивании всех спектральных цветов получается белый цвет. Если, однако, какой-либо интервал длин волн абсорбируется, из смеси остальных цветов возникает определенная – уже не белая – окраска. Камень, пропускающий все длины волн оптического диапазона, кажется бесцветным; если же, напротив, весь свет поглощается, то камень приобретает самую темную из видимых окрасок – черную. При частичном поглощении света по всему диапазону волн камень выглядит мутно-белым или серым. Но если, наоборот, абсорбируются только вполне определенные длины волн, то камень приобретает окраску, соответствующую смешению оставшихся не поглощенными частей спектра белого света. Главными носителями цвета – хромофорами, обусловливающими окраску драгоценных камней, - являются ионы тяжелых металлов железа, кобальта, никеля, марганца, меди, хрома, ванадия и титана.
Цвет драгоценных камней зависит также от освещения, поскольку спектры искусственного (электрического) и дневного (солнечного) света различны. Существуют камни, на окраску которых искусственный свет оказывает неблагоприятное влияние (сапфир), и такие, которые при вечернем (искусственном) свете только выигрывают, усиливая свое сияние (рубин, изумруд). Но резче всего перемена цвета выражена у александрита: днем он выглядит зеленым, а вечером – красным.
Светопреломление
Еще в детстве нам не раз приходилось видеть, что палка под острым углом не до конца погруженная в воду, как бы «переламывается» у водной поверхности. Нижняя часть палки, находящаяся в воде, приобретает иной наклон, чем верхняя, находящаяся в воздухе. Это происходит вследствие преломления света, всегда проявляющегося при переходе светового луча из одной среды в другую, то есть на границе двух веществ, если луч направлен косо к поверхности их раздела.
Величина светопреломления всех кристаллов драгоценных камней одного и того же минерального вида постоянна (иногда она колеблется, но в пределах весьма узкого интервала). Поэтому числовое выражение этой величины – показатель преломления (часто называемой просто преломлением или светопреломлением) – используется для диагностики драгоценных камней. Показатель преломления определяется как отношение скоростей света в воздухе и в кристалле. Дело в том, что отклонение светового луча в кристалле вызывается именно уменьшением скорости распространения этого луча в оптически более плотной среде.
В алмазе свет распространяется в 2,4 раза медленнее, чем в воздухе. Без больших технических трудностей и затрат можно измерять светопреломление иммерсионным методом – погружая камень в жидкости с известным показателем преломления и наблюдая границы раздела. По тому, насколько светлыми и резкими кажутся контуры камня или ребра между фасетами, а так же по видимой ширине границ раздела можно довольно точно оценить показатель преломления драгоценного камня.
Дисперсия
При прохождении сквозь кристалл белый свет не только испытывает преломление, но и разлагается на спектральные цвета, так как показатели светопреломления кристаллических веществ зависят от длины волны падающего света. Явление разложения белого света кристаллом на все цвета радуги называется дисперсией. Особенно велико значение цветовой дисперсии у алмаза, который именно ей обязан своей великолепной игрой цветов – знаменитым «огнем», составляющим главную прелесть этого камня.
Дисперсия бывает хорошо только у бесцветных камней. Природные и синтетические камни с высокой дисперсией (например, фабулит, рутил, сфарлерит, титанит, циркон) используются в ювелирном деле как заменители алмаза.
Поверхностные оптические эффекты:
световые фигуры и цветовые переливы
У многих ювелирных камней наблюдаются световые фигуры в виде ориентированных полосок света, а так же цветовые переливы поверхности.
Эффект «кошачьего глаза» присущ камням, представляющим собой агрегатам параллельно сросшихся волокнистых или игольчатых индивидов либо содержащим тонкие параллельно ориентированные полые каналы. Эффект возникает вследствие отражения света на таких параллельных срастаниях и состоит в том, что при повороте камня по нему пробегает узкая светлая полоска, вызывающая в памяти светящийся щелевидный зрачок кошки. Наибольшее впечатление от этого эффекта достигается, если камень отшлифован в форме кабошона, притом так, что плоское основание кабошона располагается параллельно волокнистой структуре камня.
Астеризм – появление на поверхности камня световых фигур в виде светлых полосок, пересекающихся в одной точке и напоминающих звездные лучи; число этих лучей и угол их пересечения определяются симметрией кристаллов. По своей природе он аналогичен эффекту кошачьего глаза с той лишь разницей, что отражающие включения – тонкие волокна, иголочки или канальцы – имеют в разных участках различную ориентировку. Большое впечатление производят шестилучевые звезды у кабошонов рубина и сапфира.
Адулярисценция – голубовато-белое мерцающее сияние лунного камня, драгоценной разновидности адуляра. Придвижении кабошона из лунного камня это сияние, или отлив, скользит по его поверхности.
Иризация – радужная цветовая игра некоторых ювелирных камней, результат разложения белого цвета преломляющегося на мелких разрывах и трещинках в камне на спектральные цвета.
«Шелк» - шелковистый блеск и переливы у некоторых драгоценных камней, вызванные присутствием в них параллельно ориентированных включений тонковолокнистых или игольчатых минералов либо полых канальцев. Весьма ценится у ограненных рубинов и сапфиров.
Методы выращивания кристаллов
Первым монокристаллом, полученным в лаборатории, был наверное рубин. Для получения рубина накаливалась смесь безводного глинозема, содержащего большую или меньшую примесь едкого калия с фтористым барием и двухромокалиевой солью. Последняя прибавляется для того, чтобы вызвать окраску рубина, и берется в незначительном количестве окись алюминия. Смесь помещается в тигель из глины и накаливается (от 100 часов до 8 суток) в отражательных печах при температуре до 1500 о С. По окончании опыта в тигле оказывается кристаллическая масса, причем стенки покрыты кристаллами рубина прекрасного розового цвета.
Второй распространенный метод выращивания синтетических кристаллов драгоценных камней – способ Чохральского. Он заключается в следующем: расплав вещества, из которого предполагается кристаллизовать камни, помещают в огнеупорный тигель из тугоплавкого металла (платины, родия, иридия, молибдена, или вольфрама) и нагревают в высокочастотном индукторе. В расплав на вытяжном валу опускают затравку из материала будущего кристалла, и на ней наращивается синтетический материал до нужной толщины. Вал с затравкой постепенно вытягивают вверх со скоростью 1-50 мм/ч с одновременным выращиванием при частоте вращения 30-150 оборотов/мин. Вращают вал, чтобы выровнять температуру расплава и обеспечить равномерное распределение примесей. Диаметр кристаллов до 50 мм, длина до 1 м. Методом Чохральского выращивают синтетический корунд, шпинель, гранаты и др. искусственные камни.
Кристаллы могут расти так же при конденсации паров – так получаются снежинки узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов солей с помощью более активных металлов так же образуются кристаллы. Например, в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелки, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому кристаллы ее слишком мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получатся большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху – железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос начнет медленно растворяться в рассоле. Ионы меди (в виде комплексных анионов зеленого цвета) будут очень медленно, в течение многих дней, диффундировать вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы. Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты.
Технология выращивания кристаллов
в домашних условиях
Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях, я приготовила перенасыщенный раствор соли. В качестве исходного вещества я выбрала соль медного купороса. В чистый стакан налила горячую воду при температуре 50 о С, объем довела до 500мг. В стакан небольшими порциями засыпала вещество, каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Как только раствор насытился, я накрыла его и оставила в помещении, где должна сохраняться постоянная температура. По мере остывания раствора до комнатной температуры возникает избыточная кристаллизация. В растворе вещества остается ровно столько, сколько соответствует растворимости при данной температуре, а лишнее выпадает на дно в виде маленьких кристалликов. Так я получила маточный раствор.
Далее я слила маточный раствор в другую посуду, туда же поместила кристаллики со дна, нагрела посуду на водяной бане, добиваясь полного растворения, и дала охладиться. На этом этапе раствору не желательны сквозняки и резкие перепады температуры. Через двое суток я осмотрела содержимое и заметила, что на дне и стенках образовались небольшие плоские кристаллики-параллелограммы. Из них я отобрала наиболее правильные кристаллы.
Снова приготовила насыщенный раствор на основе исходного маточного, добавила еще немного (0,5 чайной ложки) вещества, нагрела и перемешала. Раствор перелила в чистую и нагретую посуду и дала ему постоять 20-30 секунд, чтобы жидкость немного успокоилась. Когда кристаллы достигли размеров около 2,5 см, я разместила их по одному в плоскодонные колбы с предварительно профильтрованным и проверенным на гидролиз маточным раствором. Кристаллы я по необходимости промывала и очищала.
Выводы
Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной решетки.
Наряду с твердотельными кристаллами в настоящее время применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем будут пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах
К кристаллам относятся и ювелирные камни, из которых изготавливают украшения. Отношение человека к драгоценным камням за многие столетия претерпело изменения: от обожествления и применения в медицине до демонстрации своей состоятельности или доставления эстетического удовольствия от красоты и гармонии камня.
Выращенные в домашних условиях кристаллы можно использовать на уроках физики с целью изучения их физических и химических свойств, а также их применения.
Искусственные водоросли
Для выращивания искусственных водорослей я наполнила пол-литровую колбу пятидесятипроцентным раствором силиката натрия (жидкого стекла). Затем бросила в раствор несколько кристалликов хлорного железа, хлористой меди, хлористого никеля и хлористого алюминия. Через некоторое время начался рост «водорослей» причудливой формы и различной окраски. В растворе соли железа «водоросли» бурого цвета, соли никеля – зеленые, соли меди – голубые, а соли алюминия – бесцветные.
Почему это происходит? Брошенные в раствор жидкого стекла кристаллики реагируют с силикатом натрия. Образовавшиеся соединения покрывают кристаллы тонкой пленкой, но в силу диффузии вода проникает сквозь нее, давление в кристаллах повышается, и пленка лопается.
Через отверстия раствор солей проникает в окружающую жидкость и быстро вновь покрывается пленкой. Затем пленка опять прорывается. Так вырастают ветвящиеся «водоросли».
Литература:
Ахметов Н.С. Неорганическая химия – М. Просвещение, 1985 г.
Васильев В.Н., Беспалов В.Г. Информационные технологии. Оптический компьютер и фотонные кристаллы.
Желудов И.С. Физика кристаллов и симметрия. М. Наука, 1987 г
Жувинов Г.Н. Лабиринты фотонных кристаллов. (Электронная версия журнала).
Звездин А.К. Квантовая механика плененных фотонов. Оптические микрорезонаторы, волноводы, фотонные кристаллы. Природа 2004 г. № 10.
Кабардин О.Ф. Физика: учебник 10 класса для школ с углубленным изучением физики. – М. Просвещение, 2001 г.
Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни. – М. Недра, 1983 г.
Кособукин В.А. Фотонные кристаллы // Окно в мир (Электронная версия журнала).
Потапов В.Т. Фотонные кристаллы и оптические волокна на их основе. Сайт Интегра-Кабель.
Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. – М. Большое в малом, 2005 г.
Шафрановский И.И. Симметрия в природе. – Ленинград: Недра, 1985 г.
Шуман В. Драгоценные и поделочные камни. – М. Мир, 1986 г.
Журнал «Физика в школе». – 2006 - № 2.
Материалы из ИНТЕРНЕТ.
Приложение 2. Фотография выращенных кристаллов медного купороса.
textarchive.ru
ИСКУССТВЕННЫЕ КРИСТАЛЛЫ МИНЕРАЛОВ - Блог о минералах
Лопецит (LOPEZITE) - безводный хромат K2Cr2O7. Большинство коммерческих предложений на рынке на самом деле синтетические лопециты .
Муассанит (SILICON CARBIDE / MOISSANITE / CARBO CORUND)Природный карбид кремния часто называют муассанитом. В 1892 году был получен кристаллический карбид кремния , который назвают еще карборундом, его химическая формула - SiC, а в природе он был обнаружен Анри Муассаном в 1905 году в составе метеорита.
ГОЛУБОЙ КВАРЦ
Природный голубой кварц всегда окрашен включениями других минералов (содалит, дюмортьерит, рутил, магнетит рибекит, индиголит, турмалин), а не с помощью дефектов кристаллической решетки, так что он никогда не бывает прозрачный, а только полупрозрачный. Цвет может варьироваться от серого до темно-голубого. В ювелирных изделиях встретить натуральный и природный синий или голубой кварц практически невозможно. Образующий голубые кристаллы кварц встречается чрезвычайно редко и стоит очень дорого. В ювелирном деле встречается синтетический голубой кварц - перунит. Его окраска объясняется наличием ионов кобальта. Возможно получить оттенки от нежно-голубого до ярко-синего василькового. Кстате, в природе такая разновидность кварца ещё не найдена. В огранке голубые кварцы (прозрачные и опаловидные) очень красивы и пользуются большим спросом в ювелирном деле. Появился искусственный голубой кварц на рынке около 15 лет назад в качестве ограночного материала. Выращивание голубых и синих кристаллов кварца проводится подобно тому как выращиваются кристаллы бесцветного кварца. В качестве исходных растворов используются водные растворы карбоната или гидроокиси натрия. Для затравки используют пластины или стержни природного кварца. Скорость роста кристаллов – до 0,5 мм в сутки.
Чермигит (TSCHERMIGITE)
Чермигит - редко встречающиеся в природе аммиачные квасцы в виде прожилок с параллельно жилковатым строением, белого цвета, растворим в воде. Он кристаллизуется из термальных источников в районах вулканической деятельности. Встречается в Венгрии и в некоторых вулканах Италии, в пустыне Мохаве (США), в Атакаме (Чили) Искусственно выращенный чермигит - фиолетовый, тогда как натуральный - бесцветный/белый.
mineralog.livejournal.com
Как выращивают драгоценные камни - методы синтеза кристаллов
В современной ювелирной отрасли с успехом отработаны различные методы синтеза драгоценных камней и выращивания ювелирных кристаллов. Все они привязаны к фазовому состоянию и составу среды. Очень обобщенно можно сказать, что кристаллы выращивают из:
- расплавов (чистого вещества)
- растворов
- газовой среды
Процесс синтеза может идти как в результате преобразования исходной твердой фазы, так и путем образования твердой фазы из жидкой и газообразной. Самые известные методы синтеза кристаллов —
- расплавные (методы Вернейля, Чохральского, зонной и гарнисажной плавки)
- раствор-расплавные (методы флюса, гидротермального синтеза и синтеза ювелирных алмазов при высоких давлениях)
Геммологический центр факультета геологии МГУ на своем сайте дает подробное описание процесса и технологий синтеза ювелирных камней.
В целом можно сказать, что основа получения синтетических ювелирных кристаллов — это процессы кристаллизации, которые в той или иной степени все мы изучали в школе на уроках химии. По сути, это гетерогенные химические реакции, при которых образуются монокристаллы или их поликристаллические агрегаты.
Процесс кристаллизации состоит из двух ключевых этапов: сначала зарождается «центр кристалла», затем происходит дальнейших рост.
Как происходит рост кристалла ювелирного камня?
Кристалл обладает пространственной решеткой, которая и «обрастает» послойно атомами перенасыщенного раствора. Скорость роста кристалла регулируется температурой среды, давлением, скоростью подачи раствора. Если скорость роста небольшая, то внутри кристалла может образовываться так называемая «зональность роста» (похожая на прямые или изогнутые линии). В кристаллах с насыщенной окраской зональность может быть цветовой (то есть, одни грани будут принимать на себя больше примесей, чем другие).
Кроме того, на гранях кристалла могут «оседать» жидкие и твердые включения. Качество выращенного кристалла часто зависит от скорости его выращивания. Медленный рост больше соответствует природному темпу. При быстром стимулируемом росте на гранях остается больше включений, и кристалл может потерять прозрачность.
Промышленные методы выращивания ювелирных камней
Эра промышленного синтеза драгоценных и других ювелирных камней была открыта в 1896 году французским ученым Огюстом Вернейлем. Именно он сконструировал первую печь с горелкой на основе кислорода и водорода, в которой получил первый искусственный рубин. Ниже в таблице можно увидеть перечень наиболее известных и применяемых методов выращивания камней. Камни одного вида, полученные разными методами, могут иметь некоторые отличия.
Важно заметить, что кроме выращивания монокристаллов, существуют методы синтеза поликристаллических структур, из которых состоят такие камни как бирюза и малахит. Свои, достаточно сложные методы применяются и для получения благородного опала, обладающего неповторимым цветовым эффектом (иризацией). Большинство этих методов является коммерческой тайной разработчиков.
| СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА | |
| Метод Вернейля | Рубин, сапфир, звездчатые корунды шпинель, рутил |
| Метод Чохральского | Александрит, рубин, сапфир, шпинель, ИАГ (иттрий алюминиевый гранит)ГГГ (гадолиний галиевый гранат) |
| Метод Степанова | Корунды (разноокрашенные), лейкосапфир, ИАГ |
| Метод Багдасарова(зонная плавка) | Рубины, лейкосапфир, ИАГ |
| Метод гарниссажа(холодного тигля) | Сапфир, фианит |
| СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ | |
| Метод флюса | Изумруд, рубин, сапфир, шпинель, александрит, ИАГ, ГГГ |
| Гидротермальный метод | Кварц и все его разновидности, изумруд, рубин |
| Синтез из низкотемпературных водных растворов | Малахит, опал |
| СИНТЕЗ КРИСТАЛЛОВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ | |
| Метод газотранспортных реакций | Хризоберилл, фенакит |
ВСЕ КАМНИ: КАТАЛОГ
ЮВЕЛИРНЫЕ КАМНИ: СПРАВОЧНИК
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЮВЕЛИРНЫЕ КАМНИ
Виды камней по происхождению (природные, имитация, синтезированные, облагороженные)
Чем определяется ценность ювелирных камней?
Как определить — синтетический ювелирный камень или природный?
Имитация природных камней и ее способы
Облагораживание драгоценных камней
Фианиты, стразы, кристаллы Сваровски
juvelirum.ru
© 2005-2018, Национальный Экспертный Совет по Качеству.
