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.

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".

Алмазы, рубины, изумруды, сапфиры и кремний можно не только добыть на природных месторождениях, но и синтезировать. Конечно, искусственные минералы никогда не будут иметь цену натуральных, но мировой спрос на них, как утверждают специалисты, серьезно превышает предложение — объем добычи ограничен природными запасами, а электронная промышленность, основной потребитель кристаллов, развивается бурными темпами. Как ожидают специалисты, емкость мирового рынка синтезированных кристаллов к 2007 году достигнет $11,3 млрд. Россия может оказаться на обочине этого бизнеса, если не озаботится инвестициями в профильное производство.

Алхимики от науки

Всю историю своего существования люди пытались не только обрести чудо, но еще и заработать на нем, например получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня (кристаллического белого порошка), способного превратить свинец в золото. И хотя научные труды Фламеля до нас не дошли, в парижских архивах сохранились документы, подтверждающие, что скромный книготорговец внезапно разбогател: скупил 13 домов, большие участки земли в Париже и Булони, построил 12 церквей и несколько больниц.
Впрочем, ученые в то, что кому-либо в Средние века удалось получить настоящее золото или бриллианты, разумеется, не верят — это все сказки. Революция случилась в веке двадцатом, когда техника и технологии достигли необходимого развития. Никакой алхимии, исключительно научный подход.
Как известно, настоящие (природные) драгоценные камни — всего лишь твердые соли различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру, т.н. кристаллическую решетку. В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней (за что, собственно, они и ценятся). Чтобы синтезировать аналог природных минералов, ученым необходимо было в лабораторных условиях воспроизвести природные явления, причем в ускоренном варианте. Получить столь высокие температуры и давление стало возможным лишь в начале прошлого века.
Это дело оказалось весьма высокотехнологичным и затратным, но не лишенным смысла — добывающие компании не могли по объективным причинам удовлетворить спрос на камни, а активно развивающаяся промышленность требовала новых алмазов, сапфиров и рубинов. Сейчас мировой рынок синтезированных камней оценивается более чем в $6 млрд; примерно 86% приходится на кристаллы, полученные для нужд промышленности, 14% идет на удовлетворение потребностей ювелиров.
Практически все виды кристаллов синтезируют и в России, но в незначительных объемах. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде — сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом — рубины, в Новосибирске — изумруды. Михаил Борик, старший научный сотрудник Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН им. А.М. Прохорова: Так исторически сложилось: в каком городе в советское время разработали метод получения того или иного кристалла, там его до сих пор и синтезируют. Новых производств практически не возникло. Но потребность в искусственных кристаллах постоянно растет, и специалистов не хватает.

Хачик Багдасаров: "Оборудование для выращивания кристаллов стоит $300-400 тысяч и начинает окупаться уже на второй год"

Рубиновая лихорадка

В 1902 году французскому инженеру Вернейлю после многочисленных неудачных попыток наконец удалось синтезировать небольшой кристалл рубина весом 6 г. Фактически он стал самым первым искусственным драгоценным камнем, идентичным природному. С точки зрения коммерции стремление Вернейля получить именно рубин было вполне оправданно — в природе рубинов крайне мало. Сейчас в мире добывается около пяти тонн рубинов ежегодно, между тем спрос исчисляется сотнями тонн (в основном они нужны не ювелирам, а часовщикам).
Исходное вещество, т.н. шихту (порошок окиси алюминия с примесью хрома), Вернейль пропустил через газовую горелку с температурой 2150 °С, и полученный расплав при понижении температуры начал медленно кристаллизоваться, превращаясь в рубин. Очевидные простота и надежность метода Вернейля привели к быстрой организации промышленного производства кристаллов рубина сперва во Франции, а позднее практически во всех высокоразвитых странах. Именно благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны, использовать космическое пространство для коммуникации и др.
Позже оказалось, что с помощью технологии синтеза рубинов возможно получать и другие ценные кристаллы — сапфиры и гранаты: вначале исходное вещество плавится при высоких температурах, затем переохлаждается и в результате кристаллизуется. Технология проста и, что самое интересное, доступна, как уверяет Хачик Багдасаров, заведующий отделом высокотемпературной кристаллизации Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН (занимается синтезом сапфиров, рубинов и гранатов). Тем более странно, что в России синтезом кристаллов занимаются считанные компании и лаборатории при НИИ. Сейчас наиболее рентабельным считается метод Багдасарова, изобретенный в НИИ кристаллографии РАН. Хачик Багдасаров: Я первым применил так называемую горизонтально направленную кристаллизацию для синтеза гранатов еще в 1965 году, и эта технология оказалась существенно экономичнее по сравнению с распространенным методом Вернейля. Объясняется все просто: в себестоимости кристаллов большую часть занимает электроэнергия из-за необходимости поддержания высокой температуры и давления. Когда же синтезируется горизонтальная пластина, а не вертикальный стержень, энергии затрачивается существенно меньше.
Тем не менее, как утверждают специалисты, до сих пор в мире спрос на рубины, сапфиры и гранаты, подстегиваемый развитием электронной промышленности, не удовлетворен. Сапфировые стекла необходимы не только часовым фирмам (особенно швейцарским), для производства иллюминаторов космических кораблей и головок самонаводящихся ракет, но и производителям мобильных телефонов, чья ежегодная потребность порядка 6 млрд стекол! С помощью граната, активированного ионами неодима, производят лучшие лазеры. У ювелиров сейчас особенно ценится гранат зеленого и розового цветов, которые получаются благодаря добавкам соответственно тулия или эрбия (1 кг — $20-25).
Однако спрос на тугоплавкие кристаллы растет только со стороны западных компаний, в России он стремится к нулю из-за упадка производства электроники. Хачик Багдасаров: Больше всего сапфир востребован корейскими (для нужд часовой промышленности) и японскими (для оптики) фирмами. Всего в мире ежегодно синтезируют порядка тысячи тонн сапфиров. Россия в этом деле явный аутсайдер. Например, если до 90-х годов в СССР выращивалось порядка 180 тонн рубинов и порядка 50 тонн сапфиров, то сейчас всего 10-20 тонн рубина, порядка 20 тонн сапфира и 100-120 кг гранатов.
По словам Игоря Алябьева, заместителя директора компании "РОКОР" (занимается производством изделий из сапфира), себестоимость выращивания 1 кг кристаллов сапфира порядка $600, из него можно получить 100 пластин весом 5 г и стоимостью $12 каждая. Синтетический рубин для ювелирной промышленности стоит порядка $60 за килограмм (для сравнения: один карат (0,2 г) природного камня — $50), для технических целей — от $70 за килограмм. При этом чем больше монокристалл, тем он дороже, а себестоимость синтеза ниже. Так, монокристалл сапфира весом до 6 кг оценивается в $5-10 тыс., при этом себестоимость одного килограмма порядка $200 (а продажная цена 1 кг — $500). Рентабельность бизнеса нетрудно подсчитать, и такой порядок цифр касается всех трех упомянутых выше кристаллов. Мировой объем синтеза сапфира около тысячи тонн.
Сейчас наиболее крупные производства синтетических рубинов (сотни миллионов каратов в год) сосредоточены в Швейцарии, Франции, Германии, США и Великобритании. Специальные установки кристаллизации выпускает Таганрогский завод электротермического оборудования. Хачик Багдасаров: Отечественное оборудование стоит порядка $50 тыс., западное — $300-400 тыс. Важный момент: имеет смысл создавать производство минимум с десятью установками для рентабельных объемов. Один цикл производства занимает два-три дня, за которые с одной установки удается снять 2 кг кристаллов. "Отобьется" оборудование уже на второй год.

Идентификация камня

Как уверяет Багдасаров, структура искусственного и натурального камней (как и внешний вид) идентична, и вполне естественно, что лабораторно синтезированные драгоценные минералы интересуют фальсификаторов. "Ко мне лет десять назад приезжал один индус, просил синтезировать неотличимые от натурального камня рубины. Но через какое-то время индус пропал, говорят, его убрали добытчики природных камней. Тем не менее драгоценный камень, идентичный натуральному, для нас не составляет особого труда вырастить. И покупатель никогда не отличит его от природного",— рассказывает он.

Вера Богданова, эксперт-геммолог ювелирного дома "Адамас": В природе большие драгоценные камни — редкость, их находка представляет особую историческую ценность, а выдающемуся камню присваивается имя той местности, где его нашли. Ювелиры также знают: с натуральными камнями гораздо больше хлопот при обработке, большинство бракуется из-за трещин и дефектов, и только единицы годятся для ювелирных поделок. Плюс более высокая стоимость природных. То, что ювелиры используют искусственно выращенные камни якобы как натуральные, получило широкую огласку сравнительно недавно. Ко мне нередко на экспертизу приносят драгоценности, доставшиеся от бабушек, и их обладатели очень удивляются, когда узнают, что камень искусственный.
Михаил Борик: В ювелирных магазинах хватает изделий из рубинов и сапфиров, полученных в лабораторных условиях. Обычный покупатель на глаз их точно не отличит. Даже большинство продавцов в ювелирных магазинах сами не знают, что продают. Правда, известные производители ювелирной продукции, дорожащие репутацией, никогда не скрывают, где синтетика, а где природа. Тем не менее при покупке дорогого украшения надо всегда требовать сертификат на подлинность камня.
Как уверяет Хачик Багдасаров, когда в середине 50-х наука вплотную подошла к синтезу алмазов, при минфинах всех развитых стран были созданы специальные отделы, контролирующие успехи ученых. Представим, что на рынок хлынут синтетические, неотличимые от природных алмазы — экономика ряда стран просто рухнет, а стратегические запасы алмазов ряда стран превратятся в пыль.

Лучшие друзья бурильщика

Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн карат (примерно 20 тонн) алмазов, и на мировом рынке 1 карат природного алмаза стоит от $55, правда, большая часть камней для ювелирки не подходит по причине дефектов, трещин и посторонних вкраплений, но зато востребована в промышленности, в первую очередь обрабатывающей, нуждающейся в высоких прочностных характеристиках минерала. Тем не менее, как утверждают специалисты, инструментальной, металло- и камнеобрабатывающей отраслям необходимо примерно в четыре раза больше алмазов, чем их добывается, а в ряде высокотехнологичных областей (при изготовлении элементов электроники, датчиков ультрафиолетового излучения) природное сырье использовать практически невозможно по причине присутствия в 98% природных алмазов вкраплений азота. Искусственные алмазы лишены всех дефектов природных, т.к. человек сумел создать для них идеальные условия синтеза.
В 1953-1954 годах ученым из двух независимых исследовательских групп — шведской компании ASEA и американской General Electric впервые удалось синтезировать алмазы размером менее 1 мм. Для этого расплавили смесь графита с железом при температуре около 2500 °С, а затем полученный расплав поместили в твердую сжимаемую среду при давлении 70-80 тыс. атмосфер. Василий Бугаков, замдиректора Института физики высоких давлений (Троицк; занимается синтезом алмазов): Синтетический алмаз, как и природный, измеряется в каратах, а стоит на мировом рынке порядка $10 за карат, в пять раз дешевле природного. При этом затраты на сырье и электроэнергию составляют всего $5 на карат. Сейчас по выращиванию синтетических алмазов Россия занимает третье место, ежегодно производя 25 млн карат.
Правда, пока алмазы синтезируют только в интересах промышленности — искусственные камни ювелирного качества по своей себестоимости пока превосходят природные. К тому же размер синтезируемых алмазов ограничен 3 мм, т.к. пока просто отсутствуют материалы, способные выдержать столь высокие температуру и давление при больших объемах камеры. Установку для синтеза 200 кг алмазов в месяц можно приобрести за $30 тыс.
В отличие от алмазов синтезированные изумруды используются исключительно для ювелирной продукции, хотя, если объективно, они не отличаются особой красотой из-за отсутствия дисперсии, т.е. разложения солнечного света на спектр, и ценятся исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства (ежегодно в мире добывается всего 500 кг природного изумруда, из них 300 кг на российском Урале).
Получают изумруд в отличие от основной массы кристаллов не из расплава сырья (изумруд разлагается при нагревании), а из раствора борного ангидрида, синтезируя в специальных гидротермальных камерах при относительно низких температурах (около 400 °С) и давлении (около 500 атмосфер). Гидротермическая установка для синтеза изумрудов относительно недорога ($5-10 тыс.), но малопроизводительна (до 10 кг кристаллов ежемесячно). Себестоимость 1 кг изумруда — $100-200, а продажная цена одного карата примерно равна цене камня природного — около $2.
Ежегодно в России, на предприятии в Новосибирске, синтезируется до 100 кг изумрудов, в мире не более одной тонны.

Вопреки природе

В 1968 году российские физики получили прозрачный кристалл, не имеющий природного близнеца, и назвали его фианитом в честь своего Физического института Академии наук (ФИАН), хотя первые опыты по синтезу подобных кристаллов осуществлялись еще в 20-х годах французскими химиками.
Целью синтеза фианита было получение кристалла для применения в лазерах. Правда, превзойти гранат по своим "лазерным" свойствам фианит не смог, но его необычную красоту, многоцветность и дешевизну по достоинству оценили ювелиры (до 98% фианитов производится для их нужд). Для хирургии выпускается скальпель с фианитом ($500) — дело в том, что некоторые люди страдают аллергией на металл, а лезвие из фианита позволяет избежать аллергической реакции.
Фианиты синтезируются из смеси окисей циркония, алюминия, натрия. Процесс практически безотходный, т.к. осколки и неудачные кристаллы переплавляются заново. Из 100 кг сырья за сутки с помощью высокочастотного генератора (порядка $50 тыс.) получают до 30 кг кристаллов фианита. Прозрачность камня зависит от температуры плавления — чем выше температура, тем прозрачнее кристалл. Елена Ломонова, заведующая лабораторией Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН: Выращивать фианиты легко и приятно, а добавление тех или иных примесей позволяет создавать уникальные кристаллы не встречающихся в природе цветов, например лаванды, или добиваться необычных оптических эффектов, таких как смена цвета при изменении освещения — т.н. александритовый эффект.
СССР долгое время оставался монополистом по выпуску фианитов, диктуя цены, поначалу доходившие до $3 тыс. за килограмм (хотя вопрос приоритета производства фианитов весьма спорный, американцы его даже оспаривали в судебном порядке). Вячеслав Осико, директор Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН: Обманным путем из СССР стали вывозить фианиты, выдавая их за бриллианты. Для борьбы с ювелирными махинациями даже сотрудников КГБ обучали отличать драгоценные камни от подделок. За способность играть всеми цветами радуги ювелиры называют фианит наглым камнем. Теперь во всем мире синтезируют свыше 1 тыс. тонн фианитов ежегодно, а цена их снизилась до $60 за 1 кг. При этом себестоимость килограмма фианита, как утверждают специалисты, порядка $30.

Кристалл будущего

Впрочем, по росту мировых объемов производства и рентабельности за синтезируемым кремнием, незаменимым в микроэлектронной промышленности, солнечных батареях и прочих технологичных устройствах, в обозримом будущем не угнаться ни одному кристаллу. Ежегодно в мире выпускается более 30 тыс. тонн кремния, а по прогнозам, к 2010 году эта цифра удвоится (сейчас кристаллы кремния занимают 80% мирового рынка всех искусственных кристаллов). Тем не менее, как утверждают специалисты, кремния в мире катастрофически не хватает из-за роста производства компьютерной и микропроцессорной техники.

Вячеслав Осико:"В свое время фианиты вывозили, выдавая их за бриллианты"

В России потребление кремния, как и его производство, крайне незначительны все по той же причине сокращения производства электроники. И если в 1990 году в СССР было выращено 360 тонн кремния, то в прошлом году в РФ всего 270 тонн, из которых лишь 50 тонн для внутреннего рынка. Сейчас 1 кг кремния стоит $100, при этом рентабельность производства, по словам специалистов, превышает 100%.
Как уверяет Хачик Багдасарян, инвестиции в производство кремния и в продукты, для выпуска которых он необходим, могут оказаться золотым дном, а сырье для его синтеза (обычный песок) буквально под ногами: "Года три назад в Германии я познакомился с молодым предпринимателем, начинавшим производство солнечных батарей буквально с одного паяльника, а сейчас имеющим ежегодную прибыль €20 млн. Кремний уже давно стал стратегическим материалом, определяющим научно-технологическое развитие страны".
Завлабораторией Государственного научного центра редких металлов Михаил Мильвидский утверждает, что ученые всего мира работают над наращиванием объемов производства кремния, ведь солнечная энергия по сравнению с нефтью, газом и углем дешевая, экологически чистая и бесконечная. Хачик Багдасарян: По прогнозам многих ученых, к концу XXI века до 80% мировой электроэнергии будет вырабатываться из солнечной или ветровой энергии. И кремний в первом случае — материал незаменимый.
Правда, "атомное" лобби в России в этом не заинтересовано, и поэтому, если в мире движение в сторону безопасных и экологически чистых способов выработки электроэнергии давно очевидно, у нас процессы обратные.
ОЛЕСЯ ДЕЙНЕГА, ДМИТРИЙ ТИХОМИРОВ

ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кое-что о бриллиантах

Самый дорогой природный камень — алмаз, чья добыча сейчас ведется в 26 странах (крупнейшие из них — Россия, Ботсвана и ЮАР). Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн карат (20 тонн) алмазов. Их высокая цена ($55 за карат) объясняется не только характеристиками камней, но и уровнем монополизации в торговле: как известно, корпорация "Де Бирс" контролирует 70-80% поставляемых на рынок природных алмазов. По данным Минфина, объем добычи алмазов в России в первом полугодии 2005 года составил 17,7 млн карат при средней цене $51 за карат. Экспорт необработанных природных алмазов с территории РФ за январь--сентябрь 2005 года составил 23,6 млн карат, из них доля ювелирных алмазов — 20-25%.
Самым большим ювелирным алмазом в мире считается "Куллинан", имеющий массу 3106 карат (621,2 г), он был найден в 1905 году в Трансваале (ЮАР). Впоследствии из него было изготовлено девять крупных бриллиантов (самый большой — "Звезда Африки", 530,2 карата) и 96 мелких, причем в процессе огранки было потеряно 66% исходной массы кристалла.
Бриллианты (ограненные алмазы) оцениваются по четырем главным критериям (так называемая система четырех "C"): цвет (color), прозрачность (clarity), огранка и пропорции (cut), вес в каратах (carat weight). Наиболее ценны бриллианты, имеющие так называемый высокий цвет, т.е. бесцветные, а вот наличие даже незначительного оттенка желтого, коричневого или зеленого может серьезно понизить стоимость камня. У бесцветных бриллиантов выше всего ценится круглая огранка (в этом случае они имеют 57 граней), позволяющая максимально выявить блеск и игру камня.

ПРЕДРАССУДКИ

Тайная сила камней

Драгоценные камни исстари служили украшениями и талисманами. Например, египтяне охотно носили украшения из изумрудов, бирюзы, аметистов и горного хрусталя. Римляне выше всего ставили алмазы и сапфиры. Нередко камень указывал на профессию своего обладателя. Моряки верили, что изумруд охраняет от опасностей в дальних плаваниях, турмалин вдохновлял художников, аметист оберегал духовных лиц от соблазна. Считается, что талисманом может быть только тот камень, который был подарен или передан по наследству.
Так же широко была распространена вера в лечебные свойства драгоценных камней. В Средние века ювелиру приходилось быть не только ремесленником и купцом, но также и врачом, способным в случае болезни подобрать камень для излечения.
Астрологи утверждали, что каждый драгоценный камень принадлежит определенному знаку зодиака и люди должны носить только камни своего знака. Ношение камня, не соответствующего знаку зодиака, под которым родился его обладатель, оказывает дурное влияние на судьбу. Овнам следует носить алмазы, Тельцам — сапфиры, Ракам и Козерогам для счастья необходимо обзавестись колечком с изумрудом, а вот Рыбам астрологи рекомендуют отказаться от ношения камней — может на дно утянуть.

Фетисов Николай

Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.

Так что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали меня, и я постарался найти на них ответы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

11 НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ КУЗНЕЦКОГО РАЙОНА «ОТКРЫТЫЙ МИР»

СЕКЦИЯ ФИЗИКИ

Основные области применения искусственных кристаллов

Выполнил ученик 8 класса

Фетисов Николай

Руководитель Сизоченко А.И.,

учитель физики

Муниципальное общеобразовательное

Учреждение

«Основная общеобразовательная

Школа №24»

г. Новокузнецк, 2014 г

Введение……………………………………………………… 2

1. Основная часть

1.1. Понятие кристалл………………...………..……..4

1.2. Монокристаллы и поликристаллы........................4

1.3. Методы выращивания кристаллов………...….…5

1.4. Применение кристаллов…………………..…...…7

2. Практическая часть

2.1. Выращивание кристаллов в домашних

Условиях………………………………………...9

3. Заключение…………………………………………….…11

Библиография..………………………………………………...13

Приложения………………………….……………………..14-15

Введение

Словно волшебный скульптор,

Светлые грани кристаллов

Лепит бесцветный раствор.

Н.А.Морозов

Кристаллы это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму.

Высказывание академика А.Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» согласуется с научным интересом ученых всего мира к данному объекту исследования.

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лаборатория - природа - уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти незаметные, и большие - массой в несколько килограммов.

Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники, для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют - фианит. Фианиты на глаз трудно отличить от алмазов - так красиво они играют на свету.

Моя работа является исследовательской, так как при её реализации используются знания нескольких учебных предметов: физики, химии, биологии, информатики. В результате деятельности мною была создана презентация «Кристаллы и их применение», которую можно использовать на уроках физики и химии в качестве наглядного пособия, и выращенные кристаллы из медного купороса и поваренной соли.

Цель:

Определить основные области применения искусственных кристаллов и проверить опытным путём возможность роста кристаллов поваренной соли и медного купороса без применения специальной техники.

Для достижения поставленной цели передо мной встали следующие

задачи:

Собрать материал о кристаллах и их свойствах из литературных и интернет источников.
Провести опыты по выращиванию кристаллов медного купороса и поваренной соли.
Систематизировать материал о кристаллах: применение искусственных кристаллов и методы их выращивания.
Создать презентацию «Кристаллы и их применение» для учебных целей.

Основная часть

Понятие кристалл

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце XVII в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении и установлено, что некоторые непрозрачные минералы имеют естественную правильную огранку. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

В оружейной палате есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами - самоцветами - аметистами. В церквах аметистами украшали иконы и алтари.

Самые знаменитые кристаллы - алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих камней люди пытались многие века и когда установили, что алмаз - это разновидность углерода никто не поверил.

Решающий опыт провел в 1772 году французский химик Лавуазье. В природе алмазы образуются в недрах земли при очень высоких температурах и давлениях. Создать в лаборатории условия, при которых из графита можно получить алмаз, ученые смогли лишь спустя 200 лет. Сейчас производятся десятки тонн искусственных алмазов. Среди них есть алмазы и для ювелирных целей, однако основная их масса идет на изготовления разнообразных инструментов.

Монокристаллы и поликристаллы

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Они обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным.

Поликристаллы, это сросшиеся друг с другом хаотически ориентированные маленькие кристаллы - кристаллиты.

Методы выращивания кристаллов

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 C и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050 о C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.

Первым монокристаллом, полученным в лаборатории, был 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. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты.

Применение кристаллов.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков , изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До ХХ в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры , обладающие свойствами природных камней. 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 природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов показало, что геометрически правильная форма – не главная их особенность.

Полностью согласуется с неугасающим научным интересом учёных всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов , породивший “индикаторную революцию” по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т. д.), а в 80-х годах ХХ века – фотонный кристалл.

Практическая часть

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, но достаточно длительный и кропотливый.

Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.

На эти вопросы я постарался найти ответы в своей работе.

Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл), если быстро – то множество мелких.

Выращивание кристаллов в домашних условиях я производил разными способами.

Способ 1 . Охлаждение насыщенного раствора медного купороса. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается, и они выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей, зародышей образуется много, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество, и они мешают друг другу.

Для того чтобы вырастить кристалл из медного купороса я сделал перенасыщенный раствор:

1. Для этого я взял тёплую воду, растворил в ней купорос и подсыпал его до тех пор, пока он не перестал растворяться.

2. Перелил через фильтр (марлю) в другую чистую ёмкость. Тару обдал кипятком, чтобы не допустить быстрой кристаллизации раствора на грязных стенках.

3. Подготовил затравку.

4. Привязал её к нитке, опустил её в раствор.

Чтобы кристаллик равномерно разрастался со всех сторон, затравку (маленький кристаллик) лучше в подвешенном состоянии держать в растворе. Для этого я сделал перемычку из стеклянной палочки. Кстати, желательно брать нитку гладкую, тоненькую, можно шёлковую, чтобы на ней не образовывались ненужные маленькие кристаллики. Далее свой раствор я поставил в тёплое место. Очень важно медленное остывание (чтобы получить крупный кристалл). Кристаллизацию можно будет увидеть уже через несколько часов. Периодически нужно менять или обновлять насыщенный раствор, а также счищать мелкие кристаллики с нитки. (Приложение 1)

Способ 2 - постепенное удаление воды из насыщенного раствора.

В этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Я оставил открытым сосуд с раствором поваренной соли (пищевая соль) при комнатной температуре на 14 дней, накрыв его листом бумаги, - вода при этом испарялась медленно, и пыль в раствор не попадала. Растущий кристаллик подвесил в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке. Кристалл получился большой, но бесформенный – аморфный. (Приложение 1)

Выращивание кристаллов – процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

Но, к сожалению, есть некоторые особенности их хранения. Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и поваренная соль – более стойки и с ними смело можно работать.

В прошлом году в 7 классе на уроке химии при изучении темы «Явления происходящие с веществами» мы выращивали кристаллы, многим этот опыт не удался. В этом году я подсказал ребятам из 7 класса как правильно справиться с этим задание и вот что у них получилось (см. Приложение 2).

Заключение

Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной решётки.

Наряду с твёрдотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем мы будем пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах.

Я отобрал наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастил кристаллы соли и медного купороса. По мере роста кристаллов проводил наблюдения, фиксировал изменения.

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз. И, если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Но если говорить совсем серьезно, сейчас, пожалуй, нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Медиков интересуют среды, в которых происходит кристаллообразование почечных камней, а фармацевтов таблетки – это спрессованные кристаллы. Усвоение, растворение таблеток зависит от того, какими гранями покрыты эти микрокристаллики. Витамины, миелиновая оболочка нервов, белки, и вирусы – это все кристаллы.

Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру. Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. Выращивание кристаллов стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они выросли и условия их роста. И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства. Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Например, искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды, температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. И это уже целое искусство, творчество, мастерство – тут точные науки не помогут.

Тема “Кристаллы” актуальна, и если в неё вникать и вникать глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы, а самое главное – безграничное применение кристаллов. Кристаллы загадочны по своей сущности и настолько неординарны, что в моей работе я рассказал лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время. Может быть, что кристаллическое состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам!

На основании проведенного исследования я пришел к следующим выводам :

Искусственно выращенные кристаллы применяются в самых различных областях: медицине, радиотехнике, в машино-самолето строении, в оптике и во многих других.
Срок получения искусственных кристаллов значительно меньший, чем процесс их естественного образования. Что делает их более доступными в использовании.
В домашних условиях можно вырастить кристаллы даже за небольшой срок.

Библиография

Химия. Вводный курс. 7 класс: учеб. Пособие / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, А.К. Ахлебинин. – 6-е изд., М.: Дрофа, 2011.
Химия. 7 класс: рабочая тетрадь к учебному пособию О.С. Габриеляна и др. «Химия. Вводный курс. 7 класс»/ О.С. Габриелян, Г.А. Шипарева. – 3-е изд., - М.: Дрофа, 2011.
Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех, Книга 2. Молекулы.- М.,1978.
Энциклопедический словарь юного химика. / Сост. В.А. Крицман, В.В.Станцо.-М., 1982.
Энциклопедия для детей. Том 4. Геология. / Сост. С.Т. Исмаилова.-М.,1995.
Интернет-ресурсы:

http://www.krugosvet.ru – энциклопедия Кругосвет.

http://ru.wikipedia.org/ - энциклопедия Википедия.

http://www.kristallikov.net/page6.html - как вырастить кристалл.

Приложение 1.

Дневник наблюдений

Дата	Наблюдения		Фото
Дата	Соль	Медный купорос	Соль	Медный купарос
24.01.14.	До опускания затравки в раствор. длина:5мм ширина:5мм	Делаем петельку из проволоки, подвешиваем и опускаем в раствор.
27.01.14.	длина:11мм ширина:7мм	длина:12мм ширина:10мм
30.01.14.	длина:20мм ширина:10мм	длина:18мм ширина:13мм
3.02.14.	Образование кристалла вышло за границу раствора	длина:25мм ширина:15мм
6.02.14.	Кристалл получился большой, но бесформенный	длина:30мм ширина:20мм

Приложение 2

Кристаллы, выращенные семиклассниками

Подписи к слайдам:

Применение кристаллов
Украшения
Линзы
Подготовил затравку

Цель
: определить основные области применения искусственных кристаллов и проверить опытным путём возможность роста кристаллов поваренной соли и медного купороса без применения специальной техники.
Задачи:

Собрать материал о кристаллах и их свойствах.
Провести опыты по выращиванию кристаллов медного купороса и поваренной соли.
Систематизировать материал о кристаллах: физические свойства кристаллов и их применение.
Создать презентацию «Кристаллы и их применение».
2. Вытеснение металлов из растворов солей с помощью более активных металлов.
Пропустил раствор через фильтр
Спасибо за внимание
Основные области применения искусственных кристаллов
Выполнил ученик 8 класса
Фетисов Николай
Руководитель
Сизоченко
А.И. ,
Учитель физики
Муниципальное общеобразовательное
Учреждение
«Основная общеобразовательная
Школа №24»
г.Новокузнецк, 2014 г
Выводы
Искусственно выращенные кристаллы применяются в самых различных областях: медицине, радиотехнике, в
машино-самолето
строении, в оптике и во многих других.
Срок получения искусственных кристаллов значительно меньший, чем процесс их естественного образования. Что делает их более доступными в использовании.
В домашних условиях можно вырастить кристаллы даже за небольшой срок.
Методы выращивания кристаллов
Метод
Чохральского
- тигельный
метод:
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.
(Драгоценные камни: рубины)
Глиняный тигель
Выращивание кристаллов в домашних условиях
Способ 1
: Медленное охлаждение насыщенного раствора
Готовлю перенасыщенный раствор
Поликристаллы
Монокристаллы
Кристаллы, выращенные семиклассниками
Жидкие кристаллы
Кристаллы
- это твёрдые
вещества,

имеющие естественную
внешнюю форму
правильных симметричных многогранников
, основанную
на
их внутренней
структуре
Полупроводниковые диоды, транзисторы, солнечные батареи
Способ 2:
Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В
этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат.

Нужно оставить сосуд
с раствором поваренной
соли,
накрыв его листом бумаги, - вода при этом
испаряется
медленно, а пыль в раствор не
попадает.

Кристалл
получился большой, но бесформенный – аморфный.

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).

Выполнила: Мошева Диана, ... Сепыч 2012 г. Паспорт учебно -исследовательского проекта : «Кристаллы и их применение» Руководитель: ученица 10 «Б» ...

Конкурс
Районный конкурс учебно -исследовательских проектов кристаллы их применения . Однако отмечен...
Учебно-исследовательских проектов школьников «эврика» секция « химия»
Конкурс
Районный конкурс учебно -исследовательских проектов школьников «Эврика» Секция: « Химия» ... – это белые мелкие игольчатые кристаллы или лёгкий кристаллический порошок. ... затраты на их производство, а главное – снизить риск применения . Однако отмечен...
Программа
... учебно -исследовательских проектов исследовательских проектов и их публикация. Учебно -исследовательские проекты ... есть кристаллов . Кристаллы – ... и возможностях их применения в защите документов...
Исследовательский проект от теории к практике исследовательский проект от теории к практике
Программа
... учебно -исследовательских проектов . На этом этапе также осуществляется написание тезисов исследовательских проектов и их публикация. Учебно -исследовательские проекты ... есть кристаллов . Кристаллы – ... и возможностях их применения в защите документов...

Искусственные камни давно завоевали популярность в ювелирных изделиях. Ведь для ювелира ценность камня определяется не только его дефицитом в природе. Важную роль играет целый ряд других характеристик:

цвет;
светопреломление;
прочность;
вес в каратах;
размер и форма граней и др.

Самый дорогой искусственный драгоценный камень Фианит (синонимы: даймонсквай, джевалит, кубик циркония, шелби). Его цена невелика – менее 10$ за 1 карат (это 0,2 грамма). Но стоит отметить, что с увеличением каратов цена растет экспоненциально. Например, алмаз в 10 карат стоит в 100 раз дороже алмаза 1 карат.

Искусственные кристаллы ювелирных камней можно вырастить в домашних условиях. Большинство подобных экспериментов не нуждаются в специальной подготовке, вам не понадобится обустраивать химическую лабораторию и даже приобретать специальные реактивы.

Для приобретения опыта выращивания кристаллов начинайте с малого. Мы поделимся техникой выращивания красивых кристаллов из всего, что вы можете найти фактически на собственной кухне. Вам вообще не понадобится дополнительный инвентарь, ведь все необходимое точно стоит на полках. Так же рассмотрим технологию выращивания искусственных рубинов в домашних условиях!

Как вырастить кристаллы рубинов синтетически?

Выращивание кристаллов рубина может даже стать вариантом домашнего бизнеса. Ведь красивые синтетические камни уже сегодня пользуются большим спросом среди покупателей, поэтому в случае успешной реализации проекта могут принести вам неплохую прибыль. Синтетически выращенные камни используются ювелирами, а также имеют широкое применение в технике.

Кристаллы рубина можно выращивать по стандартной методике, подобрав правильные соли. Но это будет не столь эффективно, как в случае с солью или сахаром, при этом намного дольше по длительности является процесс роста. Да и качество будет сомнительное. Ведь натуральный рубин по шкале твердости Моосу уступает только Алмазу занимая почетное 9-е место. Естественно, если речь идет о бизнесе, в большинстве случаев используют другой способ, разработанный более 100 лет назад во Франции.

Вам потребуется специальный аппарат, имеющий название по имени изобретателя данного способа, т. е. аппарат Вернейля. С его помощью можно выращивать кристаллы рубина, размером до 20-30 карат всего за несколько часов.

Хотя технология остается примерно такой же. Соль двуокиси алюминия с примесью оксида хрома помещают в накопитель кислородно-водородной горелки. Расплавляем смесь, наблюдая, как фактически "на глазах" вырастает рубин.

В зависимости от состава выбранной вами соли вы можете регулировать цвет кристаллов, получая искусственные изумруды, топазы и абсолютно прозрачные камни.

Работа с аппаратом потребует от вас внимания и некоторого опыта, но зато в дальнейшем вы получите возможность выращивать кристаллы, которые завораживают своей красотой, прозрачностью и игрой цвета. В дальнейшем такие шедевры хорошо подаются огранке и шлифовке, соответственно, могут применяться по назначению.

Стоит отметить, что искусственно выращенные кристаллы не являются драгоценными камнями, поэтому, даже если вы решите заняться предпринимательской деятельностью по их выращиванию, это не потребует от вас дополнительного лицензирования.

Конструкция аппарата несложна, ее легко можно сделать самостоятельно. Но на просторах Интернета уже достаточно умельцев, предлагающих чертежи оригинальной установки, а также ее усовершенствованные варианты.

Набор для выращивания кристаллов рубина в домашних условиях

Сам принцип технологии производства рубинов достаточно прост и схематически изображен ниже на рисунке:

Понимая принцип действия, любое устройство уже не кажется таким сложным. Один из образцов чертежей аппарата Вернейля:

По данной технологии можно так же выращивать и другие дорогие искусственные камни, такие как «Голубой Топаз» и т.п.

Выращивание кристаллов из соли в домашних условиях

Самый простой и доступный эксперимент, который вы можете провести – создать красивые солевые кристаллы. Для этого вам понадобится несколько предметов:

Обычная каменная соль.
Вода. Важно, чтобы сама вода содержала как можно меньше собственных солей, а лучше дистиллированная.
Емкость, в которой будет проводиться опыт (сгодится любая банка, стакан, кастрюля).

Наливаем в емкость теплую воду (ее температура составляет около 50°С). Добавляем в воду кухонную соль и размешиваем. После растворения добавляем снова. Повторяем процедуру до тех пор, пока соль не перестанет растворяться, оседая на дно сосуда. Это говорит о том, что солевой раствор стал насыщенным, что нам и было нужно. Важно, чтобы во время приготовления раствора его температура оставалась постоянной, не остывала, так мы сможем создать более насыщенный раствор.

Насыщенный раствор переливаем в чистую банку, отделяя от осадка. Выбираем отдельный кристалл соли, а потом помещаем его в емкость (можно подвесить на нитке). Эксперимент выполнен. Через несколько дней вы сможете увидеть, как увеличился в размерах ваш кристалл.

Выращивание кристаллов из сахара в домашних условиях

Технология получения сахарных кристалликов аналогична предыдущему способу. Можно опустить ватный жгут в раствор, тогда сахарные кристаллы будут нарастать на нем. Если процесс роста кристаллов стал медленнее, значит уменьшилась концентрация сахара в растворе. Добавьте в него снова сахарного песка, тогда процесс возобновится.

На заметку: если добавить в раствор пищевого красителя, то и кристаллы станут разноцветными.

Можно выращивать сахарные кристаллики на палочках. Для этого вам потребуется:

уже готовый сахарный сироп, приготовленный аналогично солевому насыщенному раствору;
деревянные палочки;
немного сахарного песка;
пищевые красители (если хотите разноцветных леденцов).

Все происходит очень просто. Деревянную палочку обмакиваете в сиропе и обваливаете в сахарном песке. Чем больше крупинок прилипнет, тем красивее получится результат. Дайте палочкам, как следует высохнуть, а затем переходите попросту ко второй фазе.

Насыщенный горячий сахарный сироп выливаем в стакан, туда же помещаем заготовленную палочку. Если вы готовите разноцветные кристаллы, то в горячий готовый сироп добавьте пищевой краситель.

Следите, чтобы палочка не касалась стенок и дна, иначе результат будет некрасивым. Можно зафиксировать палочку с помощью листа бумаги, надев его сверху. Бумага послужит еще и крышкой для емкости, которая не позволит никаким посторонним частицам попасть в ваш раствор.

Примерно через неделю вы получите прекрасные сахарные леденцы на палочках. Ими можно украсить любое чаепитие, приведя в полный восторг не только детей, но и взрослых!

Выращивание кристаллов из медного купороса в домашних условиях

Кристаллы из медного купороса получаются интересной формы, при этом имеют насыщенный синий цвет. Стоит помнить, что медный купорос является химически активным соединением, поэтому кристаллы из него не следует пробовать на вкус, а при работе с материалом нужно проявлять осторожность. По этой же причине в данном случае подойдет только дистиллированная вода. Важно, чтобы она была химически нейтральной. Будьте внимательны и осторожны при обращении с медным купоросом.

При этом выращивание кристаллов из купороса происходит фактически по той же схеме, что и предыдущие случаи.

Помещая основной кристалл для выращивания в раствор, нужно проследить, чтобы он не соприкасался со стенками посуды. И не забывайте следить за насыщенностью раствора.

Если вы поместили свой кристалл на дне посудины, то стоит смотреть, чтобы он не касался других кристалликов. В этом случае произойдет их срастание, а вместо одного красивого крупного образца у вас получится масса невнятной формы.

Полезный совет! Вы можете самостоятельно регулировать размер граней своего кристалла. Если вы хотите, чтобы некоторые из них росли медленнее, их можно смазать вазелином или жиром. А для сохранности небесно-синего красавца можно обработать грани прозрачным лаком.

Существует 3 весовые категории бриллиантов:

Мелкий. Масса 0,29 карата
Средний. Масса от 0,3 до 0,99 карата
Крупный. Бриллианты весом более 1 карата.

К популярным аукционам допускают камни массой от 6 карат. Камням с массой более 25 карат присваивают собственные имена. Например: «Винстон» бриллиант (62,05 карат) или «Де Бирс» (234,5 карат) и др.

Вам также будет интересно:

Маска для лица с яйцом Маска из куриного яйца

Часто женщины за несколько месяцев заранее записываются в салоны красоты для проведения...

Задержка внутриутробного развития плода: причины, степени, последствия Звур симметричная форма

В каждом десятом случае беременности ставится диагноз - задержка внутриутробного развития...

Как сделать своими руками рваные джинсы, нюансы процесса

Рваные джинсы - тенденция не новая. Это скорее доказательство того, что мода циклична....

Бразильское кератиновое выпрямление волос Brazilian blowout Польза бразильского выпрямления волос

22.11.2019 Желанными друзьями девушек являются бриллианты. Однако, без роскошных, богатых...

Как подобрать свой стиль одежды для мужчин: дельные советы экспертов Современный мужской стиль одежды

При выборе одежды мужчине в первую очередь нужно определиться со стилем, чтобы составлять...

Популярное

Гардероб Новый год Шитьё Костюм Кота в сапогах Клей Кружево Сутаж тесьма шнур Ткань

Как определить пол ребенка?

Маска для лица с яйцом Маска из куриного яйца

Задержка внутриутробного развития плода: причины, степени, последствия Звур симметричная форма

Как сделать своими руками рваные джинсы, нюансы процесса

Бразильское кератиновое выпрямление волос Brazilian blowout Польза бразильского выпрямления волос

Как подобрать свой стиль одежды для мужчин: дельные советы экспертов Современный мужской стиль одежды