Основні сфери застосування штучних кристалів. Вирощування кристалів рубіну в домашніх умовах Штучний кристал
З давніх-давен людство використовує кристали. Спочатку це були природні кристали, які використовувалися як знаряддя праці та засоби для лікування та медитації. Пізніше рідкісні камені та дорогоцінні метали почали виступати у ролі коштів. Фундаментальні наукові дослідження та відкриття XX століття дозволили розробити методи отримання штучних кристалів та суттєво розширити сфери їх застосування.
Монокристал - це однорідний кристал, який має безперервну кристалічну решітку та анізотропію властивостей. Зовнішня форма монокристалу залежить від атомно-кристалічної будови та умов кристалізації. Прикладами монокристалів можуть бути монокристали кварцу, кам'яної солі, ісландського шпату, алмазу, топаза.
Якщо швидкість вирощування кристала буде високою, то утворюватимуться полікристали, які мають велику кількість монокристалів. Монокристали високочистих речовин мають однакові властивості незалежно від методу одержання.
На сьогоднішній день налічують близько 150 способів отримання монокристалів: парова фаза, рідка фаза (розчинів та розплавів) та тверда фаза.
На кафедрі високотемпературних матеріалів та порошкової металургії останнім методом вирощую монокристали гексаборид лантану та різних евтектичних сплавів на його основі. З монокристалів цих сполук виготовляють катоди, що використовуються в емісійній техніці.
Завдяки розвитку електротехніки та електроніки, використання монокристалів збільшується рік у рік. Деталі, виконані з високочистих монокристалічних матеріалів, можна побачити у всіх нових моделях електронних приладів, від радіоприймачів до великих електронно-розрахункових машин.
У техніці не вистачає набору властивостей природних кристалів, тому вчені розробили складний технологічний метод створення кристалоподібнихречовин з проміжною властивістю, шляхом вирощування надтонких шарів (одиниці-десятки нанометрів) кристалів, що чергуються з подібними кристалічними гратами - метод епітаксії. Ці кристали отримали назву фотонних кристалів.
У фотонних кристалах є заборонені енергетичні зони — це значення енергії фотонів, які можуть проникати в кристал і розчинятися у ньому. Якщо ж енергія кванта світла має допустиме значення, він успішно пройде через кристал. Тобто фотонні кристали можуть виконувати роль світлового фільтра, який пропускає фотони з певними значеннями енергії та відсіває решту.
Фотонні кристали мають 3 групи, що визначаються кількістю просторових осей, у яких змінюється показник заломлення. За цим критерієм кристали ділять на одно-, дво- та тривимірні.
Відомим представником фотонних кристалів є опал, що має дивовижний кольоровий візерунок, який з'являється завдяки існуванню заборонених енергетичних зон.
Монокристали штучних сапфірів лише незначною мірою поступаються твердості алмазу і мають високу стійкість до дряпання, що дозволяє застосовувати їх як захисні екрани в електронних пристроях (планшетах, смартфонах і т.д.). Застосування методу Чохральського дозволяє отримувати величезні монокристали штучних сапфірів.
У наш час вчені все частіше говорять про нанокристали. Нанокристали можуть мати розмір від 1 до 10 нм, що залежить від виду нанокристалів, а також їх методу отримання. Зазвичай вони мають 100 нм для кераміки та металів, 50 нм для алмазу та графіту, та 10 нм для напівпровідників. Розмір нанокристалів впливає на появу незвичайних властивостей у звичних речовинах.
(Visited 1 333 times, 1 visits today)
Фетісов Микола
Навколишній світ складається з кристалів, можна сказати, що ми живемо у світі кристалів. Житлові будівлі та промислові споруди, літаки та ракети, теплоходи та тепловози, гірські породи та мінерали складаються з кристалів. Ми їмо кристали, лікуємося ними і частково складаємося з кристалів.
То що таке кристали? Якими властивостями вони мають? Як ростуть кристали? Як і де вони застосовуються нині та які перспективи їх застосування у майбутньому? Ось ці запитання мене зацікавили, і я постарався знайти на них відповіді.
Завантажити:
Попередній перегляд:
11 НАУКОВО-ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ КОВАЛЬСЬКОГО РАЙОНУ «ВІДКРИТИЙ СВІТ»
СЕКЦІЯ ФІЗИКИ
Основні галузі застосування штучних кристалів
Виконав учень 8 класу
Фетісов Микола
Керівник Сізоченко О.І.,
вчитель фізики
Муніципальне загальноосвітнє
Установа
«Основна загальноосвітня
Школа №24»
м. Новокузнецьк, 2014 р.
Вступ……………………………………………………… 2
1. Основна частина
1.1. Поняття кристал………………...………..……..4
1.2. Монокристали та полікристали........................4
1.3. Методи вирощування кристалів………...….…5
1.4. Застосування кристалів…………………..…...…7
2. Практична частина
2.1. Вирощування кристалів у домашніх
Умовах………………………………………...9
3. Висновок…………………………………………….…11
Бібліографія..………………………………………………...13
Додатки………………………….……………………..14-15
Вступ
Немов чарівний скульптор,
Світлі грані кристалів
Ліпить безбарвний розчин.
Н.А.Морозов
Навколишній світ складається з кристалів, можна сказати, що ми живемо у світі кристалів. Житлові будівлі та промислові споруди, літаки та ракети, теплоходи та тепловози, гірські породи та мінерали складаються з кристалів. Ми їмо кристали, лікуємося ними і частково складаємося з кристалів.
Кристали це речовини, у яких дрібні частки “упаковані” у порядку. У результаті зростання кристалів з їхньої поверхні мимоволі виникають плоскі грані, а самі кристали приймають різноманітну геометричну форму.
Висловлювання академіка А.Є. Ферсмана «Майже весь світ кристалічний. У світі панує кристал та його тверді прямолінійні закони» узгоджується з науковим інтересом вчених усього світу до цього об'єкта дослідження.
Сучасна промисловість не може обійтися без найрізноманітніших кристалів. Вони використовуються в годинах, транзисторних приймачах, обчислювальних машинах, лазерах та багато іншого. Велика лабораторія - природа - вже не може задовольнити попит техніки, що розвивається, і ось на спеціальних фабриках вирощують штучні кристали: маленькі, майже непомітні, і великі - масою в кілька кілограмів.
Люди навчилися отримувати штучно дуже багато дорогоцінного каміння. Наприклад, підшипники, для годинника та інших точних приладів вже давно роблять зі штучних рубінів. Отримують штучно та прекрасні кристали, які в природі взагалі не існують – фіаніт. Фіаніти на око важко відрізнити від алмазів – так гарно вони грають на світлі.
То що таке кристали? Якими властивостями вони мають? Як ростуть кристали? Як і де вони застосовуються нині та які перспективи їх застосування у майбутньому? Ось ці запитання мене зацікавили, і я постарався знайти на них відповіді.
Моя робота є дослідницької, тому що при її реалізації використовуються знання кількох навчальних предметів: фізики, хімії, біології, інформатики. В результаті діяльності мною була створена презентація «Кристали та їх застосування», яку можна використовувати на уроках фізики та хімії як наочний посібник, і вирощені кристали з мідного купоросу та кухонної солі.
Ціль:
Визначити основні сфери застосування штучних кристалів та перевірити досвідченим шляхом можливість зростання кристалів кухонної солі та мідного купоросу без застосування спеціальної техніки.
Для досягнення поставленої мети переді мною стали наступні
завдання:
- Зібрати матеріал про кристали та їх властивості з літературних та інтернет джерел.
- Провести досліди з вирощування кристалів мідного купоросу та кухонної солі.
- Систематизувати матеріал про кристали: застосування штучних кристалів та методи їх вирощування.
- Створити презентацію «Кристали та їх застосування» для навчальних цілей.
- Основна частина
- Поняття кристал
Кристалом (від грец. krystallos - «прозорий лід») спочатку називали прозорий кварц (гірський кришталь), що зустрічався в Альпах. Гірський кришталь приймали за лід, що затвердів від холоду настільки, що він уже не плавиться. Спочатку головну особливість кристала бачили в його прозорості, і це слово вживали до всіх прозорих природних твердих тіл. Пізніше стали виготовляти скло, яке не поступалося у блиску та прозорості природним речовинам. Предмети з такого скла теж називали «кристальними». Ще й сьогодні скло особливої прозорості називається кришталевою, «магічна» куля ворожок – кришталевою кулею.
Дивовижною особливістю гірського кришталю та багатьох інших прозорих мінералів є їх гладкі плоскі грані. Наприкінці XVII ст. було помічено, що є певна симетрія в їх розташуванні та встановлено, що деякі непрозорі мінерали мають правильне правильне огранювання. Виникла гіпотеза, що форма може бути пов'язана з внутрішньою будовою. Зрештою, кристалами стали називати всі тверді речовини, що мають природне плоске огранювання.
У палаті зброї є одяг і корони російських царів, суцільно посипані кристалами - самоцвітами - аметистами. У церквах аметистами прикрашали ікони та вівтарі.
Найзнаменитіші кристали - алмази, які після огранювання перетворюються на діаманти. Розгадати таємницю цього каміння люди намагалися багато століть і коли встановили, що алмаз - це різновид вуглецю ніхто не повірив.
Вирішальний досвід провів у 1772 році французький хімік Лавуазьє. У природі алмази утворюються в надрах землі за дуже високих температур і тисків. Створити в лабораторії умови, за яких із графіту можна отримати алмаз, вчені змогли лише через 200 років. Наразі виробляються десятки тонн штучних алмазів. Серед них є алмази і для ювелірних цілей, проте основна їхня маса йде на виготовлення різноманітних інструментів.
- Монокристали та полікристали
Кристалічні тіла можуть бути монокристалами та полікристалами. Монокристалом називають одиночний кристал, що має макроскопічну впорядковану кристалічну решітку. Вони мають геометрично правильну зовнішній формою, але ця ознака не є обов'язковою.
Полікристали, це хаотично орієнтовані маленькі кристали - кристаліти, що зрослися один з одним.
- Методи вирощування кристалів
У лабораторії кристали вирощуються в ретельно контрольованих умовах, що забезпечують необхідні властивості, але в принципі лабораторні кристали утворюються так само, як і в природі - з розчину, розплаву або з пари. Так, п'єзоелектричні кристали сегнетової солі вирощуються з водяного розчину при атмосферному тиску. Великі кристали оптичного кварцу вирощуються також із розчину, але при температурах 350–450о C та тиск 140 МПа. Рубіни синтезують при атмосферному тиску з порошку оксиду алюмінію, що розплавляється при температурі 2050о C. Кристали карбіду кремнію, що застосовуються як абразив, отримують з пари в електропечі.
Першим монокристалом, отриманим у лабораторії, був рубін. Для отримання рубину розжарювалася суміш безводного глинозему, що містить більшу або меншу домішку їдкого калію з фтористим барієм і дворомокалієвою сіллю. Остання додається для того, щоб викликати фарбування рубіну, і береться в незначній кількості окис алюмінію. Суміш міститься в тигель з глини і розжарюється (від 100 годин до 8 діб) у відбивних печах при температурі до 1500о С. Після закінчення досвіду в тиглі виявляється кристалічна маса, причому стінки вкриті кристалами рубіну прекрасного рожевого кольору.
Другий поширений метод вирощування синтетичних кристалів дорогоцінного каміння – спосіб Чохральського. Він полягає в наступному: розплав речовини, з якого передбачається кристалізувати каміння, поміщають у вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію, молібдену, або вольфраму) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають траву з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до потрібної товщини. Вал із затравленням поступово витягують вгору зі швидкістю 1-50 мм/год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30-150 оборотів/хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпинель, гранати та ін штучне каміння.
Кристали можуть рости так само при конденсації пари - так виходять сніжинки візерунки на холодному склі. При витісненні металів із розчинів солей за допомогою активніших металів так само утворюються кристали. Наприклад, розчин мідного купоросу опустити залізний цвях, він покриється червоним шаром міді. Але кристали міді, що утворилися, настільки дрібні, що їх можна розглянути тільки під мікроскопом. На поверхні цвяха мідь виділяється дуже швидко, тому її кристали занадто дрібні. Але якщо процес уповільнити, кристали вийдуть більшими. Для цього мідний купорос треба засипати товстим шаром кухонної солі, покласти на нього кружальце фільтрувального паперу, а зверху - залізну пластинку діаметром трохи менше. Залишилося налити в посуд насичений розчин кухонної солі. Мідний купорос почне повільно розчинятися у розсолі. Іони міді (у вигляді комплексних аніонів зеленого кольору) будуть дуже повільно протягом багатьох днів дифундувати вгору; за процесом можна спостерігати за рухом забарвленого кордону. Досягши залізної платівки, іони міді відновлюються до нейтральних атомів. Але оскільки цей процес відбувається дуже повільно, атоми міді вишиковуються в красиві блискучі кристали. Іноді ці кристали утворюють розгалуження – дендрити.
- Застосування кристалів.
Природні кристали завжди збуджували цікавість у людей. Їх колір, блиск і форма торкалися людського почуття прекрасного, і люди прикрашали ними себе та житло. З давніх-давен з кристалами були пов'язані забобони; як амулети, вони мали не лише захищати своїх власників від злих духів, а й наділяти їх надприродними здібностями. Пізніше, коли ті самі мінерали стали розрізати і полірувати, як дорогоцінні камені, багато забобонів збереглися в талісманах «на щастя» і «своїх каменях», що відповідають місяцю народження. Всі природні дорогоцінні камені, крім опала, є кристалічними, і багато з них, такі, як алмаз, рубін, сапфір та смарагд, трапляються у вигляді чудово огранених кристалів.Прикраси із кристалівзараз так само популярні, як і під час неоліту.
Спираючись на закони оптики, вчені шукали прозорий безбарвний та бездефектний мінерал, з якого можна було б шліфуванням та поліруванням виготовляти лінзи. Потрібні оптичні та механічні властивості мають кристали незабарвленого кварцу, іперші лінзи, у тому числі і для окулярів, Виготовлялися з них. Навіть після появи штучного оптичного скла потреба у кристалах повністю не відпала; кристали кварцу, кальциту та інших прозорих речовин, що пропускають ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання, досі застосовуються для виготовлення призм та лінз оптичних приладів.
Кристали зіграли значної ролі у багатьох технічних новинках 20 в. Деякі кристали генерують електричний заряд під час деформації. Першим їх значним застосуванням буловиготовлення генераторів радіочастоти із стабілізацією кварцовими кристалами.Змусивши кварцову пластинку вібрувати в електричному полі коливання радіочастотного контуру, можна тим самим стабілізувати частоту прийому або передачі.
Напівпровідникові діоди використовуються в комп'ютерах та системах зв'язку, транзистори замінили електронні лампи в радіотехніці, а сонячні батареї, що розміщуються на зовнішній поверхні космічних літальних апаратів, перетворюють сонячну енергію на електричну. Напівпровідники широко застосовуються також у перетворювачах змінного струму на постійний.
Кристали, що мають п'єзоелектричні властивості, застосовуються в радіоприймачах і радіопередавачах, в головках звукознімачів і в гідролокаторах. Деякі кристали модулюють світлові пучки, а інші генерують світло під дією напруги. Перелік видів застосування кристалів досить довгий і безперервно зростає.
Штучні кристали.З давніх-давен людина мріяла синтезувати камені, настільки ж дорогоцінні, як і зустрічаються в природних умовах. До ХХ ст. такі спроби були безуспішними. Але в 1902вдалося отримати рубіни та сапфіри, що мають властивості природного каміння. Пізніше, наприкінці 1940-х роківсинтезовані смарагди, а в 1955 фірма «Дженерал електрик» та Фізичний інститут АН СРСР повідомили про виготовленняштучних алмазів.
Багато технологічних потреб у кристалах стали стимулом до дослідження методів вирощування кристалів із заздалегідь заданими хімічними, фізичними та електричними властивостями. Праці дослідників не зникли даремно, і було знайдено способи вирощування великих кристалів сотень речовин, багато з яких немає природного аналога. У природі часто зустрічаються тверді тіла, що мають форму правильних багатогранників. Такі тіла назвали кристалами. Вивчення фізичних властивостей кристалів показало, що геометрично правильна форма – головна їх особливість.
Повністю узгоджується з невгасаючим науковим інтересом вчених усього світу та всіх областей знання до цього об'єкта дослідження. Наприкінці 60-х років минулого століття розпочався серйозний науковий прорив в областірідких кристалів, Що породив "індикаторну революцію" щодо заміни стрілочних механізмів коштом візуального відображення інформації. Пізніше у науку увійшло поняття біологічний кристал (ДНК, віруси тощо. буд.), а 80-х роках ХХ століття – фотонний кристал.
- Практична частина
- Вирощування кристалів у домашніх умовах
Вирощування кристалів – процес дуже цікавий, але досить тривалий та копіткий.
Корисно знати, які керують його зростанням; чому різні речовини утворюють кристали різної форми, а деякі їх зовсім не утворюють; що треба зробити, щоб вони вийшли великими та красивими.
На ці запитання я намагався знайти відповіді у своїй роботі.
Якщо кристалізація йде дуже повільно, виходить один великий кристал (або монокристал), якщо швидко - то безліч дрібних.
Вирощування кристалів у домашніх умовах я робив різними способами.
Спосіб 1 . Охолодження насиченого розчину мідного купоросу. Зі зниженням температури розчинність речовин зменшується, і вони випадають в осад. Спочатку в розчині та на стінках судини з'являються крихітні кристали-зародки. Коли охолодження повільне, а розчині немає твердих домішок, зародків утворюється багато, і поступово вони перетворюються на красиві кристалики правильної форми. При швидкому охолодженні виникає багато дрібних кристаликів, майже жодної з них не має правильної форми, адже їх росте безліч, і вони заважають один одному.
Для того щоб виростити кристал із мідного купоросу я зробив перенасичений розчин:
1. Для цього я взяв теплу воду, розчинив у ній купорос і підсипав його доти, доки він не перестав розчинятися.
2. Перелив через фільтр (марлю) в іншу чисту ємність. Тару обдав окропом, щоби не допустити швидкої кристалізації розчину на брудних стінках.
3. Підготував затравку.
4. Прив'язав її до нитки, опустив у розчин.
Щоб кристалик рівномірно розростався з усіх боків, затравку (маленький кристалик) краще підвішеному стані тримати в розчині. Для цього я зробив перемичку зі скляної палички. До речі, бажано брати нитку гладку, тоненьку, можна шовкову, щоб не утворювалися непотрібні маленькі кристалики. Далі свій розчин я поставив у тепле місце. Дуже важливе повільне охолодження (щоб отримати великий кристал). Кристалізацію можна буде побачити вже за кілька годин. Періодично потрібно змінювати або оновлювати насичений розчин, а також зчищати дрібні кристали з нитки. (Додаток 1)
Спосіб 2 - Поступове видалення води з насиченого розчину.
В цьому випадку, чим повільніше видаляється вода, тим краще виходить результат. Я залишив відкритим посудину з розчином кухонної солі (харчова сіль) при кімнатній температурі на 14 днів, накривши її листом паперу, - вода при цьому випаровувалась повільно, і пил у розчин не потрапляв. Зростаючий кристал підвісив у насиченому розчині на тонкій міцній нитці. Кристал вийшов великий, але безформний - аморфний. (Додаток 1)
Вирощування кристалів - процес цікавий, але вимагає дбайливого та обережного ставлення до своєї роботи. Теоретично розмір кристала, який можна виростити в домашніх умовах у такий спосіб, необмежений. Відомі випадки, коли ентузіасти отримували кристали такої величини, що підняти їх могли лише за допомогою товаришів.
Але, на жаль, є деякі особливості їхнього зберігання. Наприклад, якщо кристалик галунів залишити відкритим у сухому повітрі, він, поступово втрачаючи воду, що міститься в ньому, перетвориться на непоказний сірий порошок. Щоб запобігти його руйнуванню, можна покрити безбарвним лаком. Мідний купорос і кухонна сіль – стійкіші і з ними сміливо можна працювати.
Минулого року у 7 класі на уроці хімії при вивченні теми «Яви, що відбуваються з речовинами», ми вирощували кристали, багатьом цей досвід не вдався. Цього року я підказав хлопцям з 7 класу як правильно впоратися з цим завданням і ось що в них вийшло (див. Додаток 2).
Висновок
Всі фізичні властивості, завдяки яким кристали так широко застосовуються, залежать від їхньої будови – їхньої просторової решітки.
Поряд із твердотілими кристалами в даний час широко застосовуються рідкі кристали, а в найближчому майбутньому ми будемо користуватися приладами, побудованими на фотонних кристалах.
Я відібрав найбільш прийнятний спосіб для вирощування кристалів у домашніх умовах і виростив кристали солі та мідного купоросу. У міру зростання кристалів проводив спостереження, фіксував зміни.
Кристали – це красиво, можна сказати якесь диво, вони притягують до себе; кажуть же "кристальної душі людина" про те, в кому чиста душа. Кришталева – отже, сяюча світлом, як алмаз. І, якщо говорити про кристали з філософським настроєм, то можна сказати, що це матеріал, який є проміжною ланкою між живою та неживою матерією. Кристали можуть зароджуватися, старіти, руйнуватися. Кристал, коли росте на затравці (на зародку), успадковує дефекти цього зародка. Але якщо говорити зовсім серйозно, зараз, мабуть, не можна назвати жодної дисципліни, жодної галузі науки і техніки, яка обходилася б без кристалів. Медиків цікавлять середовища, в яких відбувається кристалоутворення ниркового каміння, а фармацевтів таблетки – це спресовані кристали. Засвоєння, розчинення пігулок залежить від того, якими гранями покриті ці мікрокристаліки. Вітаміни, мієлінова оболонка нервів, білки та віруси – це все кристали.
Кристал чудодійний своїми властивостями, він виконує різні функції. Ці властивості закладені в його будові, яка має ґратчасту тривимірну структуру. Кристалографія – наука не нова. У її витоків стоїть М. У. Ломоносов. Вирощування кристалів стало можливим завдяки вивченню даних мінералогії про кристалоутворення у природних умовах. Вивчаючи природу кристалів, визначали склад, з якого вони виросли та умови їх зростання. І тепер ці процеси імітують, отримуючи кристали із заданими властивостями. У справі отримання кристалів беруть участь хіміки та фізики. Якщо перші розробляють технологію зростання, другі визначають їх властивості. Чи можна штучні кристали відрізнити від природних? Наприклад, штучний алмаз досі поступається природному за якістю, у тому числі й по блиску. Штучні алмази не викликають ювелірної радості, але для використання в техніці вони цілком підходять, виступають у цьому сенсі на рівні з природними. Знову ж таки, нахраписті ростовики (так називають хіміків, які вирощують штучні кристали) навчилися вирощувати найтонші кристалічні голки, що мають надзвичайно високу міцність. Це досягається маніпулюванням хімізмом середовища, температурою, тиском, впливом деяких інших додаткових умов. І це вже ціле мистецтво, творчість, майстерність – точні науки не допоможуть.
Тема “Кристали” актуальна, і якщо до неї вникати і вникати глибше, вона буде цікава кожному, дасть відповіді багато питань, а найголовніше – безмежне застосування кристалів. Кристали загадкові за своєю сутністю і настільки неординарні, що в моїй роботі я розповів лише малу частину того, що відомо про кристали та їх застосування в даний час. Можливо, що кристалічний стан речовини – це сходинка, яка об'єднала неорганічний світ із світом живої матерії. Майбутнє новітніх технологій належить кристалам та кристалічним агрегатам!
На підставі проведеного дослідження я дійшов наступнихвисновків:
- Штучно вирощені кристали застосовуються в різних областях: медицині, радіотехніці, в машино-літавій будові, в оптиці і в багатьох інших.
- Термін отримання штучних кристалів значно менший, ніж процес їхньої природної освіти. Що робить їх більш доступними у використанні.
- У домашніх умовах можна виростити кристали навіть за невеликий термін.
Бібліографія
- Хімія. Вступний курс. 7 клас: навч. Посібник/О.С. Габрієлян, І.Г. Остроумов, А.К. Ахлебінін. - 6-е вид., М.: Дрофа, 2011.
- Хімія. 7 клас: робочий зошит до навчального посібника О.С. Габрієляна та ін. «Хімія. Вступний курс. 7 клас» / О.С. Габрієлян, Г.А. Шипарьова. - 3-тє вид., - М.: Дрофа, 2011.
- Ландау Л.Д., Китайгородський А.І. Фізика всім, Книга 2. Молекули.- М.,1978.
- Енциклопедичний словник молодого хіміка. / Упоряд. В.А. Крицман, В.В.Станцо.-М., 1982.
- Енциклопедія для дітей 4. Геологія. / Упоряд. С.Т. Ісмаїлова.-М.,1995.
- Інтернет ресурси:
http://www.krugosvet.ru - Енциклопедія Кругосвітло.
http://ua.wikipedia.org/ – енциклопедія Вікіпедія.
http://www.kristallikov.net/page6.html - Як виростити кристал.
Додаток 1.
Щоденник спостережень
Дата | Спостереження | Фото |
||
Сіль | Мідний купорос | Сіль | Мідний купарос |
|
24.01.14. | До опускання затравки розчин. довжина:5мм ширина:5мм | Робимо петельку з дроту, підвішуємо та опускаємо в розчин. | ||
27.01.14. | довжина:11мм ширина:7мм | довжина: 12мм ширина:10мм | ||
30.01.14. | довжина: 20мм ширина:10мм | довжина: 18мм ширина:13мм | ||
3.02.14. | Утворення кристала вийшло за межу розчину | довжина: 25мм ширина:15мм | ||
6.02.14. | Кристал вийшов великий, але безформний | довжина: 30мм ширина:20мм | ||
Додаток 2
Кристали, вирощені семикласниками
Підписи до слайдів:
Застосування кристалів
Прикраси
Лінзи
Підготував затравку
Ціль
: визначити основні сфери застосування штучних кристалів та перевірити досвідченим шляхом можливість зростання кристалів кухонної солі та мідного купоросу без застосування спеціальної техніки.
Завдання:
Зібрати матеріал про кристали та їх властивості.
Провести досліди з вирощування кристалів мідного купоросу та кухонної солі.
Систематизувати матеріал про кристали: фізичні властивості кристалів та їх застосування.
Створити презентацію «Кристали та їх застосування».
2. Витіснення металів із розчинів солей за допомогою більш активних металів.
Пропустив розчин через фільтр
спасибі за увагу
Основні галузі застосування штучних кристалів
Виконав учень 8 класу
Фетісов Микола
Керівник
Сізоченко
А.І. ,
Вчитель фізики
Муніципальне загальноосвітнє
Установа
«Основна загальноосвітня
Школа №24»
м.Новокузнецьк, 2014 р
Висновки
Штучно вирощені кристали застосовуються в різних областях: медицині, радіотехніці, в
машино-літак
будову, в оптиці та в багатьох інших.
Термін отримання штучних кристалів значно менший, ніж процес їхньої природної освіти. Що робить їх більш доступними у використанні.
У домашніх умовах можна виростити кристали навіть за невеликий термін.
Методи вирощування кристалів
Метод
Чохральського
- тигельний
метод:
розплав
речовини, з якої
передбачається кристалізувати
каміння, поміщають у вогнетривкий
тигель
з тугоплавкого металу (платини, родію,
іридія
, молібдену, або вольфраму) і нагрівають у
високочастотному
індуктор.
(Коштовне каміння: рубіни)
Глиняний тигель
Вирощування кристалів у домашніх умовах
Спосіб 1
: Повільне охолодження насиченого розчину.
Готую перенасичений розчин
Полікристали
Монокристали
Кристали, вирощені семикласниками
Рідкі кристали
Кристали
- це тверді
речовини,
мають природну
зовнішню форму
правильних симетричних багатогранників
, засновану
на
їх внутрішньої
структурі
Напівпровідникові діоди, транзистори, сонячні батареї
Спосіб 2:
Поступове видалення води з насиченого розчину
У
у цьому випадку, чим повільніше видаляється вода, тим краще виходить результат.
Потрібно залишити посудину
з розчином кухонної
солі,
накривши його листом паперу, - вода при цьому
випаровується
повільно, а пил у розчин не
влучає.
Кристал
вийшов великий, але безформний – аморфний.
Штучні кристали
З давніх-давен людина мріяла синтезувати камені, настільки ж дорогоцінні, як і зустрічаються в природних умовах. До XX ст. такі спроби були безуспішними. Але в 1902 р. вдалося отримати рубіни і сапфіри, що мають властивості природного каміння. Пізніше, у 1940-х років, були синтезовані смарагди, а 1955 р. фірма «Дженерал електрик» та Фізичний інститут АН СРСР повідомили про виготовлення штучних алмазів.
Багато технологічних потреб у кристалах були стимулом до дослідження методів вирощування кристалів із заздалегідь заданими хімічними, фізичними та електричними властивостями. Праці дослідників не зникли даремно, і було знайдено способи вирощування великих кристалів сотень речовин, багато з яких немає природного аналога. У лабораторії кристали вирощуються в ретельно контрольованих умовах, що забезпечують необхідні властивості, але в принципі лабораторні кристали утворюються так само, як і в природі - з розчину, розплаву або з пари. Так, п'єзоелектричні кристали сегнетової солі вирощуються з водяного розчину при атмосферному тиску. Великі кристали оптичного кварцу вирощуються теж із розчину, але при температурах 350-450 про З та тиску 140 МПа. Рубіни синтезують при атмосферному тиску з порошку оксиду алюмінію, що розплавляється при температурі 2050 про С. Кристали карбіду кремнію, які застосовують як абразив, отримують з пари в електропечі.
Застосування рідких кристалів у пристроях
відображення інформації
У той час існування рідких кристалів уявлялося якимось курйозом, і ніхто не міг припустити, що на них чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних додатках. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після їхнього відкриття про них через деякий час практично забули.
Наприкінці дев'ятнадцятого – початку двадцятого століття багато авторитетних учених дуже скептично ставилися до відкриття Рейнітцера і Лемана. Справа в тому, що не тільки описані суперечливі властивості рідких кристалів представлялися багатьом авторитетам дуже сумнівними, а й у тому, що властивості різних рідкокристалічних речовин виявлялися суттєво різними. Одні рідкі кристали мали дуже велику в'язкість, в інших в'язкість була невелика. Час йшов, факти про рідкі кристали поступово накопичувалися, але не було загального принципу, який дозволив би встановити якусь систему в уявленнях про рідкі кристали. Заслуга створення основ сучасної класифікації рідких кристалів належить французькому вченому Ж. Фріделю. У 20-ті роки Фрідель запропонував розділити всі рідкі кристали на великі групи. Одну групу назвав нематичними, іншу – смектичними. Він запропонував загальний термін для рідких кристалів (мезоморфна фаза). Фрідель хотів наголосити, що рідкі кристали займають проміжне положення між істинними кристалами і рідинами як за температурою, так і за своїми фізичними властивостями. Нематичні рідкі кристали у класифікації Фріделя включали згадані вище холестеричні рідкі кристали як клас. Найбільш «кристалічні» серед рідких кристалів – кмітливі. Для кмітливих кристалів характерна двомірна впорядкованість. Молекули розміщуються так, щоб їх осі були паралельними. Більше того, вони «розуміють» команду «рівняйся» і розміщуються в струнких рядах, упакованих на кмітливих площинах, і в рядах – на нематичних.
Застосування
Розташування молекул у рідких кристалах змінюється під впливом таких чинників, як температура, тиск, електричні магнітні поля; зміни розташування молекул призводять до зміни оптичних властивостей, таких як колір, прозорість і здатність до обертання площини поляризації проходить світла. На цьому ґрунтуються численні застосування рідких кристалів. Наприклад, залежність кольору від температури використовується у медичній діагностиці. Наносячи на тіло пацієнта деякі рідкокристалічні матеріали, лікар може легко виявити торкнуті хворобою тканини зі зміни кольору в тих місцях, де ці тканини виділяють підвищену кількість тепла. Температурна залежність кольору дозволяє контролювати якість виробів без їх руйнування. Якщо металевий виріб нагрівати, його внутрішній дефект змінить розподіл температури лежить на поверхні. Ці дефекти виявляються зі зміни кольору, нанесеного на поверхню рідкокристалічного матеріалу. Рідкі кристали широко застосовуються у виробництві наручного годинника і калькуляторів. Створюються плоскі телевізори із тонким рідкокристалічним екраном. Порівняно недавно було отримано вуглецеве та полімерне волокно на основі рідкокристалічних матриць.
Застосування рідких кристалів у майбутньому
Керовані оптичні транспаранти. Відомо, що створення великих плоских екранів на рідких кристалах стикається з труднощами непринципового, а технологічного характеру. Хоча принципово можливість створення таких екранів продемонстрована, проте у зв'язку зі складністю їх виробництва за сучасної технології їхня вартість виявляється дуже високою. Тому виникла ідея створення проекційних пристроїв на рідких кристалах, в яких зображення, отримане на рідкокристалічному екрані малого розміру, могло б бути спроектовано у збільшеному вигляді на звичайний екран, подібно до того, як це відбувається в кінотеатрі з кадрами кіноплівки. Виявилося, такі пристрої можуть бути реалізовані на рідких кристалах, якщо використовувати сендвічові структури, в які з шаром рідкого кристала входить шар фотонапівпровідника. Запис зображення в рідкому кристалі, що здійснюється за допомогою фотонапівпровідника, проводиться променем світла. Принцип запису зображення дуже простий. У відсутності підсвічування фотонапівпровідника його провідність дуже мала, тому практично вся різниця потенціалів, подана на електроди оптичного осередку, в яку ще додатково введений шар фотонапівпровідника, падає на цьому шарі фотонапівпровідника. При цьому стан рідкокристалічного шару відповідає відсутності напруги на ньому. При підсвічуванні фотонапівпровідника його провідність різко зростає, оскільки світло створює в ньому додаткові носії струму (вільні електрони та дірки). В результаті відбувається перерозподіл електричних напруг в осередку - тепер практично вся напруга падає на рідкокристалічному шарі, і стан шару, зокрема, його оптичні характеристики, змінюються відповідно до величини поданої напруги. Таким чином, змінюються оптичні характеристики рідкокристалічного шару внаслідок дії шару.
Окуляри для космонавтів
Знайомлячись з маскою для електрозварювальника та окулярами для стереотелебачення, помітили, що в цих пристроях керований рідкокристалічний фільтр перекриває відразу все поле зору одного або обох очей. Існує ситуація, коли не можна перекривати все поле зору людини і водночас необхідно перекрити окремі ділянки зору.
Наприклад, така необхідність може виникнути у космонавтів в умовах їхньої роботи в космосі при надзвичайно яскравому сонячному освітленні. Це завдання як у випадку маски для електрозварювальника або окулярів для стереотелебачення дозволяють вирішити керовані рідкокристалічні фільтри. У цих окулярах поле зору кожного ока тепер має перекрити не один фільтр, а дещо незалежно керованих фільтрів. Наприклад, фільтри можуть бути виконані у вигляді концентричних кілець з центром у центрі скла окулярів або у вигляді смужок на склі окулярів, кожна з яких при включенні перекриває тільки частину зору ока.
Такі окуляри можуть бути корисні не лише космонавтам, а й людям інших професій, наприклад, для пілотів сучасних літаків, де є величезна кількість приладів. Подібні окуляри будуть дуже корисними також у біомедичних дослідженнях роботи оператора, пов'язаної зі сприйняттям великої кількості зорової інформації.
Фільтри подібного типу та індикатори на рідких кристалах, безперечно, знайдуть (і вже знаходять) широке застосування у кіно-, фотоапаратурі. У цих цілях вони привабливі тим, що для керування ними потрібна мізерна кількість енергії, а в ряді випадків дозволяють виключити з апаратури деталі; що здійснюють механічні рухи. Які механічні деталі кіно-, фотоапаратури маються на увазі? Це діафрагми, фільтри - ослаблювачі світлового потоку, нарешті, переривники світлового потоку в кінознімальній камері, синхронізовані з переміщенням фотоплівки і забезпечують її експонування.
Фотонні кристали– один із об'єктів нанотехнології, міждисциплінарної галузі, яка є основою техніки XXI ст. у всіх галузях людської діяльності (інформатики, медицини, технології металів та ін.). Термін "фотонний кристал" з'явився в 80-х роках XX століття.
Останні 10 років спостерігається підвищений інтерес до фотонних кристалів та пристроїв на їх основі як з боку фізиків, так і з боку провідних підприємств високих технологій та підприємств військово-промислового комплексу. Ситуацію порівнюють із періодом бурхливого розвитку у 1960-х роках інтегральної мікроелектроніки, і визначається вона можливістю створення оптичних мікросхем за аналогією зі схемами класичної мікроелектроніки. Відкрилася можливість нових способів зберігання, передачі та обробки інформації з урахуванням матеріалів нового типу (фотоніка). Передбачається створення лазерів нового типу з низьким порогом генерації, оптичних перемикачів. Однак створення тривимірних фотонних кристалів (а саме вони мають призвести до принципових змін у техніці) є досить складним завданням.
Фотонні кристали відкрили дивовижну можливість для зберігання та обробки інформації – створення пасток для фотонів. Це область у кристалі з якої вихід фотонам заборонено через відсутність в навколишньому матеріалі фотонної зони провідності. Ситуацію порівнюють із зарядженим провідником, оточеним діелектриком. Парадоксальна ситуація «зупинки фотона», маса якого дорівнює нулю, не суперечить законам фізики, оскільки йдеться не про вільний фотон, що взаємодіє з періодичною структурою. Його вже назвали важким фотоном. Важкі фотони планують використовувати в елементах пам'яті, оптичних транзисторах та ін.
Друга, вже реальна найближчим часом, сфера застосування фотонних кристалів – підвищення на порядок ефективності ламп розжарювання. У майбутньому планується перехід на комп'ютери, засновані виключно на фотоніці, які мають низку переваг у порівнянні з комп'ютерами, заснованими на електроніці.
У 2004 році з'явилося повідомлення про створення лазера на основі штучного інвертованого опала. У порожнисті сфери, розташовані з відривом 240-650 мм, вводили колоїдні частинки селеніду кадмію з діаметром 4,5 нм. За допомогою лазерного імпульсу ці «штучні атоми» перетворювалися на збуджений стан, причому час емісії можна було контролювати. Зауважимо, що лазери із затримкою емісії вигідно застосовувати, наприклад, для сонячних батарей, а з прискореною емісією – для міні-лазерів та світлодіодів.
Походження та будова дорогоцінного каміння
Всі дорогоцінні камені, за рідкісним винятком, належать світові мінералів. Нагадаємо про їх походження та будову. Про умови утворення дорогоцінного каміння, що не є мінералами у строгому сенсі цього слова (наприклад, бурштину, коралів та перлів).
Мінерали можуть виникати у різний спосіб. Одні утворюються з вогненно-рідких розплавів і газів у надрах Землі чи вулканічних лав, вивергнутих її поверхню (магматичні мінерали). Інші випадають з водних розчинів або ростуть за допомогою організмів на (або поблизу) земної поверхні (осадові мінерали). Нарешті нові мінерали утворюються шляхом перекристалізації вже існуючих мінералів під впливом великих тисків і високих температур в глибинних шарах земної кори (метаморфічні мінерали).
Хімічний склад мінералів виражають формулою. Домішки при цьому не враховують, навіть якщо вони викликають появу відтінків кольорів, аж до повної зміни кольору мінералу. Майже всі мінерали кристалізуються у певних формах. Тобто є кристали однорідні за складом тіла з регулярним розташуванням атомів у ґратах. Кристали характеризуються строгими геометричними формами та обмежені переважно гладкими плоскими гранями. Здебільшого кристали дрібні, але зустрічаються гігантські екземпляри. Внутрішня структура кристалів визначає їх фізичні властивості, у тому числі зовнішню форму, твердість та здатність розколюватися, тип зламу, щільність та оптичні явища.
Основні поняття
Самоцвіт або дорогоцінний камінь.Всю цю групу каміння відрізняє одна спільна риса – особлива краса. Насамперед самоцвітами називали лише небагато каменів. Нині їх кількість різко зросла і продовжує збільшуватися. Здебільшого це мінерали, набагато рідше – гірські породи. До дорогоцінного каміння відносять також деякі мінерали органічного походження: бурштин, корал і перли. Навіть викопні органічні останки (скам'янілості) використовуються як прикраси. За своїм призначенням до дорогоцінного каміння близький ряд інших ювелірних матеріалів: дерево, кістка, скло та метал.
Напівкоштовний камінь –поняття поки що існує у торгівлі, але, проте у вигляді закладеного у ньому применшує сенсу використовувати його годі було. Насамперед напівдорогоцінним називали менш цінне і не дуже тверде каміння, протиставляючи їх «справжнім» дорогоцінним каменям.
Виробничий камінь.Це збірний термін, який відноситься до всіх каменів, що використовуються як прикраси, так і для виробництва каменерізних виробів. Іноді виробними називають менш цінне або непрозоре каміння.
Ювелірний виріб.Під ювелірним виробом розуміють прикрасу, що складається з одного або декількох дорогоцінних каменів, спрямованих у шляхетний метал. Іноді ювелірними виробами називають і шліфоване каміння без оправи, а також прикраси з дорогоцінних металів без каміння.
Самоцвіти та виробні камені
Самоцвіти відомі людині вже понад сім тисячоліть. Першими були: аметист, гірський кришталь, бурштин, нефрит, корали, лазурит, перли, серпентин, смарагд і бірюза. Ці камені довгий час залишалися доступними лише представникам привілейованих класів і не лише служили окрасою, а й символізували суспільний статус їхніх власників.
Аж до початку ХІХ ст. дорогоцінне каміння використовували навіть з лікувальною метою. В одних випадках вважалося достатнім мати певний камінь, а в інших його накладали на хворе місце, в третіх товкли в порошок і приймали всередину. Старовинні лікарні містять «точні» відомості, який камінь може допомогти у тій чи іншій хворобі. Лікування дорогоцінним камінням отримало назву літотерапії. Іноді воно приносило успіх, проте його слід приписувати не самому каменю, а психологічному навіюванню, що благотворно вплинув на хворого. Невдачі в лікуванні пояснювалися тим, що камінь виявився «несправжнім». У Японії і сьогодні продаються з медичною метою таблетки зі стовчених на порошок перлин (тобто з вуглекислого кальцію).
І в сучасних релігіях дорогоцінним камінням відведено окреме місце. Так, чотирма рядами дорогоцінного каміння прикрашено нагрудник іудейського первосвященика. Подібне каміння сяє на тіарах та митрах папи та єпископів християнської церкви, а також на ковчегах, дароносицях, раках та окладах ікон.
Спайність та злам
Багато мінералів розколюються або розщеплюються по рівних плоских поверхнях. Ця властивість мінералів називається спайністю і залежить від будови їх кристалічних ґрат, від сил зчеплення між атомами. Розрізняють спайність вельми досконалу (евклаз), досконалу (топаз) та недосконалу (гранат). У цілого ряду дорогоцінного та виробного каміння (наприклад, у кварцу) вона взагалі відсутня. Окремістю називається здатність кристала розколюватися в певних ділянках паралельно орієнтованим поверхням.
Наявність спайності необхідно враховувати при шліфуванні та ограновуванні каменів, а також при вставці їх в оправу. Сильна механічна дія може викликати розкол (тріщину) по спайності. Часто при цьому буває досить легкого удару чи надмірного натискання щодо твердості. Насамперед спайність використовувалася для акуратного розчленування великого каміння на частини або для відділення дефектних ділянок. Тепер подібні операції виконуються переважно шляхом розпилювання, що дозволяє краще використовувати форму каменю, а також уникнути небажаних тріщин та розколів.
Форму поверхні фрагментів, на які розпадається мінерал під час удару, називають зламом. Він буває раковистим (схожим на відбиток раковини), нерівним, занозистим, волокнистим, ступінчастим, рівним, землистим тощо. Іноді злам може бути діагностичним ознакою, що дозволяє розрізняти подібні за зовнішнім виглядом мінерали. Раковистий злам типовий, наприклад, для всіх різновидів кварцу та для імітації дорогоцінного каміння зі скла.
щільність
Щільністю (Насамперед її називали питомою вагою) називається відношення маси речовини до маси того ж об'єму води. Отже, камінь, що має щільність 2,6, у стільки ж разів важчий за рівний об'єм води.
Щільність дорогоцінного каміння коливається від 1 до 7. Камені з щільністю нижче 2 здаються нам легкими (бурштин 1,1), від 2 до 4 – нормальної тяжкості (кварц 2,65), і вище 5 – важкими (каситерит 7,0). Найбільш дорогі камені, такі, як алмаз, рубін, сапфір, мають більш високу щільність, ніж головні породоутворюючі мінерали, насамперед кварц та польовий шпат.
Заходи маси дорогоцінного каміння
Карат -одиниця маси, що існує в торгівлі дорогоцінним камінням і в ювелірній справі з античних часів. Не виключено, що саме слово «карат» походить від місцевої назви (kuara) африканського коралового дерева, насіння якого використовувалося для зважування золотого піску, але ймовірніше, що воно веде початок від грецької назви (keration) широко поширеного в Середземномор'ї ріжкового дерева, плоди якого спочатку служили «гірками» при зважуванні дорогоцінного каміння (маса однієї гирки в середньому приблизно дорівнює карату).
Грам –одиниця маси, що використовується в торгівлі ювелірним камінням для менш дорогих каменів, і особливо для необробленої каменецветной сировини (наприклад, групи кварцу)
Гранміра маси перлів. Відповідає 0,05 г, тобто 0,25 кар. Зараз гран дедалі більше витісняється каратом.
Ціна.У торгівлі дорогоцінним камінням зазвичай вказується ціна за 1 карат. Щоб обчислити повну вартість каменю, треба перемножити ціну та її масу в каратах.
Оптичні властивості
У ряді фізичних властивостей дорогоцінного каміння оптичні властивості грають чільну роль; визначаючи їх колір та блиск, сяйво, «вогонь» та люмінесценцію, астеризм, іризацію та інші світлові ефекти. При випробуванні та ідентифікації дорогоцінного каміння також дедалі більше місце приділяється оптичним явищам.
Колір
Колір– перше, що впадає у вічі при погляді всякий дорогоцінний камінь. Однак для більшості каменів їх колір не може бути діагностичною ознакою, оскільки багато з них пофарбовані однаково, а деякі виступають у кількох колірних обличчях.
Причиною різних забарвлень є світло, тобто електромагнітні коливання, що у певному інтервалі довжин хвиль. Людське око сприймає лише хвилі так званого оптичного діапазону – приблизно від 400 до 700 нм. Ця область видимого світла поділяється на сім основних частин, кожна з яких відповідає певному кольору діапазону: червоному, помаранчевому, жовтому, зеленому, блакитному, синьому, фіолетовому. При змішуванні всіх спектральних кольорів виходить білий колір. Якщо, однак, якийсь інтервал довжин хвиль абсорбується, із суміші інших кольорів виникає певне – вже не біле – забарвлення. Камінь, що пропускає всі довжини хвиль оптичного діапазону, здається безбарвним; якщо ж, навпаки, весь світ поглинається, то камінь набуває найтемнішої з видимих забарвлень - чорну. При частковому поглинанні світла по всьому діапазону хвиль камінь виглядає каламутно-білим або сірим. Але якщо, навпаки, абсорбуються тільки цілком певні довжини хвиль, то камінь набуває забарвлення, відповідне змішання частин спектру білого світла, що залишилися не поглиненими. Головними носіями кольору – хромофорами, що зумовлюють забарвлення дорогоцінного каміння, – є іони важких металів заліза, кобальту, нікелю, марганцю, міді, хрому, ванадію та титану.
Колір дорогоцінного каміння залежить також від освітлення, оскільки спектри штучного (електричного) та денного (сонячного) світла різні. Існують камені, на забарвлення яких штучне світло надає несприятливий вплив (сапфір), і такі, які при вечірньому (штучному) світлі лише виграють, посилюючи своє сяйво (рубін, смарагд). Але найрізче зміна кольору виражена в олександрита: вдень він виглядає зеленим, а ввечері – червоним.
Світлозаломлення
Ще в дитинстві нам неодноразово доводилося бачити, що палиця під гострим кутом не до кінця занурена у воду, як би «переламується» у водяній поверхні. Нижня частина палиці, що знаходиться у воді, набуває іншого нахилу, ніж верхня, що знаходиться в повітрі. Це відбувається внаслідок заломлення світла, що завжди виявляється при переході світлового променя з одного середовища в інше, тобто на межі двох речовин, якщо промінь спрямований косо до поверхні їхнього розділу.
Величина світлозаломлення всіх кристалів дорогоцінного каміння одного і того ж мінерального виду постійна (іноді вона коливається, але в межах дуже вузького інтервалу). Тому числове вираз цієї величини – показник заломлення (часто званої просто заломленням або світлозаломленням) – використовується для діагностики дорогоцінного каміння. Показник заломлення визначається як відношення швидкостей світла в повітрі та кристалі. Справа в тому, що відхилення світлового променя в кристалі викликається саме зменшенням швидкості поширення цього променя в більш щільному оптичному середовищі.
В алмазі світло поширюється у 2,4 рази повільніше, ніж у повітрі. Без великих технічних труднощів і витрат можна вимірювати світлозаломлення імерсійним методом – занурюючи камінь у рідини з відомим показником заломлення та спостерігаючи межі розділу. Наскільки світлими і різкими здаються контури каменя або ребра між фасетами, а так само по видимій ширині меж розділу можна досить точно оцінити показник заломлення дорогоцінного каменю.
Дисперсія
При проходженні крізь кристал біле світло не тільки зазнає заломлення, але й розкладається на спектральні кольори, оскільки показники світлозаломлення кристалічних речовин залежать від довжини хвилі падаючого світла. Явище розкладання білого світла кристалом на всі кольори веселки називається дисперсією. Особливо велике значення колірної дисперсії у алмазу, який саме їй завдячує своєю чудовою грою квітів – знаменитим «вогнем», що становить головну красу цього каменю.
Дисперсія буває добре тільки у безбарвних каменів. Природні та синтетичні камені з високою дисперсією (наприклад, фабуліт, рутил, сфарлерит, титаніт, циркон) використовуються в ювелірній справі як замінники алмазу.
Поверхневі оптичні ефекти:
світлові фігури та кольорові переливи
У багатьох ювелірних каменів спостерігаються світлові фігури у вигляді орієнтованих смужок світла, а також колірні переливи поверхні.
Ефект «котячого ока»властивий каменям, що є агрегатами паралельно зрощених волокнистих або голчастих індивідів або містять тонкі паралельно орієнтовані порожнисті канали. Ефект виникає внаслідок відображення світла на таких паралельних зрощеннях і полягає в тому, що при повороті каменю по ньому пробігає вузька світла смужка, що викликає в пам'яті щілину зіницю кішки, що світиться. Найбільше враження від цього ефекту досягається, якщо камінь відшліфований у формі кабошона, притому так, що плоска основа кабошона розташовується паралельно до волокнистої структури каменю.
Астеризм -поява на поверхні каменю світлових фігур у вигляді світлих смужок, що перетинаються в одній точці та нагадують зоряні промені; число цих променів та кут їх перетину визначаються симетрією кристалів. За своєю природою він аналогічний ефекту котячого ока з тією різницею, що відбивають включення – тонкі волокна, голочки чи канальці – мають у різних ділянках різну орієнтування. Велике враження справляють шестипроменеві зірки у кабошонів рубіну та сапфіру.
Адулярисценція –блакитно-біле мерехтливе сяйво місячного каменю, дорогоцінного різновиду адуляра. Придвижении кабошона з місячного каменю це сяйво, чи відлив, ковзає його поверхні.
Іризація –райдужна колірна гра деяких ювелірних каменів, результат розкладання білого кольору, що заломлюється на дрібних розривах і тріщинах у камені на спектральні кольори.
"Шовк" -шовковистий блиск і переливи у деяких дорогоцінного каміння, викликані присутністю в них паралельно орієнтованих включень тонковолокнистих або голчастих мінералів або порожнистих канальців. Дуже цінується в огранених рубінів та сапфірів.
Методи вирощування кристалів
Першим монокристалом, отриманим у лабораторії, був, напевно, рубін. Для отримання рубину розжарювалася суміш безводного глинозему, що містить більшу або меншу домішку їдкого калію з фтористим барієм і дворомокалієвою сіллю. Остання додається для того, щоб викликати фарбування рубіну, і береться в незначній кількості окис алюмінію. Суміш міститься в тигель з глини і розжарюється (від 100 годин до 8 діб) у відбивних печах при температурі до 1500 про С. Після закінчення досвіду в тиглі виявляється кристалічна маса, причому стінки вкриті кристалами рубіну прекрасного рожевого кольору.
Другий поширений метод вирощування синтетичних кристалів дорогоцінного каміння – спосіб Чохральського. Він полягає в наступному: розплав речовини, з якого передбачається кристалізувати каміння, поміщають у вогнетривкий тигель з тугоплавкого металу (платини, родію, іридію, молібдену, або вольфраму) і нагрівають у високочастотному індукторі. У розплав на витяжному валу опускають траву з матеріалу майбутнього кристала, і на ній нарощується синтетичний матеріал до потрібної товщини. Вал із затравкою поступово витягують нагору зі швидкістю 1-50 мм/год з одночасним вирощуванням при частоті обертання 30-150 оборотів/хв. Обертають вал, щоб вирівняти температуру розплаву і забезпечити рівномірний розподіл домішок. Діаметр кристалів до 50 мм, довжина до 1 м. Методом Чохральського вирощують синтетичний корунд, шпинель, гранати та ін штучне каміння.
Кристали можуть рости так само при конденсації пари - так виходять сніжинки візерунки на холодному склі. При витісненні металів із розчинів солей за допомогою активніших металів так само утворюються кристали. Наприклад, розчин мідного купоросу опустити залізний цвях, він покриється червоним шаром міді. Але кристали міді, що утворилися, настільки дрібні, що їх можна розглянути тільки під мікроскопом. На поверхні цвяха мідь виділяється дуже швидко, тому її кристали занадто дрібні. Але якщо процес уповільнити, кристали вийдуть більшими. Для цього мідний купорос треба засипати товстим шаром кухонної солі, покласти на нього кружальце фільтрувального паперу, а зверху - залізну пластинку діаметром трохи менше. Залишилося налити в посуд насичений розчин кухонної солі. Мідний купорос почне повільно розчинятися у розсолі. Іони міді (у вигляді комплексних аніонів зеленого кольору) будуть дуже повільно протягом багатьох днів дифундувати вгору; за процесом можна спостерігати за рухом забарвленого кордону. Досягши залізної платівки, іони міді відновлюються до нейтральних атомів. Але оскільки цей процес відбувається дуже повільно, атоми міді вишиковуються в красиві блискучі кристали металевої міді. Іноді ці кристали утворюють розгалуження – дендрити.
Технологія вирощування кристалів
в домашніх умовах
Щоб виростити кристали у домашніх умовах, я приготувала перенасичений розчин солі. Як вихідну речовину я обрала сіль мідного купоросу. У чисту склянку налила гарячу воду при температурі 50 про З обсяг довела до 500мг. У склянку невеликими порціями засипала речовина, щоразу перемішуючи та добиваючись повного розчинення. Як тільки розчин наситився, я накрила його і залишила в приміщенні, де повинна зберігатись постійна температура. У міру остигання розчину до кімнатної температури виникає надлишкова кристалізація. У розчині речовини залишається рівно стільки, скільки відповідає розчинності при цій температурі, а зайве випадає на дно у вигляді дрібних кристаликів. Так я одержала матковий розчин.
Далі я злила маточний розчин в інший посуд, туди ж помістила кристалики з дна, нагріла посуд на водяній бані, добиваючись повного розчинення, і дала охолонути. На цьому етапі розчину не бажані протяги та різкі перепади температури. Через дві доби я оглянула вміст і помітила, що на дні та стінках утворилися невеликі плоскі кристалики-паралелограми. З них я відібрала найправильніші кристали.
Знову приготувала насичений розчин на основі вихідного маткового, додала ще трохи (0,5 чайної ложки) речовини, нагріла та перемішала. Розчин перелила в чистий і нагрітий посуд і дала йому постояти 20-30 секунд, щоб рідина трохи заспокоїлася. Коли кристали досягли розмірів близько 2,5 см, я розмістила їх по одному плоскодонні колби з попередньо профільтрованим і перевіреним на гідроліз маточним розчином. Кристали я за необхідності промивала та очищала.
Висновки
Всі фізичні властивості, завдяки яким кристали так широко застосовуються, залежать від їхньої будови – їхньої просторової решітки.
Поряд з твердотілими кристалами нині застосовуються рідкі кристали, а незабаром користуватимуться приладами, побудованими на фотонних кристалах.
До кристалів належать і ювелірні камені, з яких виготовляють прикраси. Ставлення людини до дорогоцінного каміння за багато століть зазнало змін: від обожнювання та застосування в медицині до демонстрації своєї спроможності або доставлення естетичного задоволення від краси та гармонії каменю.
Вирощені в домашніх умовах кристали можна використовувати на уроках фізики з метою вивчення їх фізичних та хімічних властивостей, а також їх застосування.
Штучні водорості
Для вирощування штучних водоростей я наповнила півлітрову колбу п'ятдесятивідсотковим розчином силікату натрію (рідкого скла). Потім кинула в розчин кілька кристаликів хлорного заліза, хлористої міді, нікелю хлористого і хлористого алюмінію. Через деякий час почалося зростання «водоростей» химерної форми та різного забарвлення. У розчині солі заліза «водорості» бурого кольору, солі нікелю – зелені, солі міді – блакитні, а солі алюмінію – безбарвні.
Чому це відбувається? Кинуті в розчин рідкого скла кристалики реагують із силікатом натрію. З'єднання, що утворилися, покривають кристали тонкою плівкою, але в силу дифузії вода проникає крізь неї, тиск у кристалах підвищується, і плівка лопається.
Через отвори розчин солей проникає в навколишню рідину і швидко покривається плівкою. Потім плівка знову проривається. Так виростають розгалужені «водорості».
Література:
- Конкурс
Районний конкурс навчально-дослідницькихпроектів кристали їх застосування. Проте відзначено...
Навчально-дослідницькі проекти школярів «еврика» секція «хімія»
КонкурсРайонний конкурс навчально-дослідницькихпроектівшколярів «Еврика» Секція: «Хімія» ... – це білі дрібні голчасті кристаличи легкий кристалічний порошок. ... витрати на їхвиробництво, а головне – знизити ризик застосування. Проте відзначено...
- Програма
... навчально-дослідницькихпроектів дослідницькихпроектіві їхпублікація. Навчально-дослідніпроекти... є кристалів. Кристали– ... та можливостях їхзастосуванняу захисті документів...
Дослідницький проект від теорії до практики дослідницький проект від теорії до практики
Програма... навчально-дослідницькихпроектів. На цьому етапі також здійснюється написання тез дослідницькихпроектіві їхпублікація. Навчально-дослідніпроекти... є кристалів. Кристали– ... та можливостях їхзастосуванняу захисті документів...
Ахметов Н.С. Неорганічна хімія - М. Просвітництво, 1985
Васильєв В.М., Беспалов В.Г. Інформаційні технології. Оптичний комп'ютер та фотонні кристали.
Желудов І.С. Фізика кристалів та симетрія. М. Наука, 1987 р
Жувін Г.М. Лабіринти фотонних кристалів. (Електронна версія журналу).
Звездін А.К. Квантова механіка полонених фотонів. Оптичні мікрорезонатори, хвилеводи, фотонні кристали. Природа 2004 № 10.
Кабардін О.Ф. Фізика: підручник 10 класу для шкіл із поглибленим вивченням фізики. - М. Просвітництво, 2001 р.
Корнілов Н.І., Солодова Ю.П. Ювелірні камені. - М. Надра, 1983 р.
Кособукін В.А. Фотонні кристали // Вікно у світ (Електронна версія журналу).
Виконала: Мошева Діана, ... Сепич 2012 р. Паспорт навчально-дослідницькогопроекту: « Кристалиі їхзастосування»Керівник: учениця 10 «Б» ...
Алхіміки від науки
Всю історію свого існування люди намагалися не лише здобути диво, але ще й заробити на ньому, наприклад, отримати зі свинцю золото або перетворити гірський кришталь на діаманти. Найбільш легендарним алхіміком вважається француз Ніколя Фламель, якому приписують отримання філософського каменю (кристалічного білого порошку), здатного перетворити свинець на золото. І хоча наукові праці Фламеля до нас не дійшли, у паризьких архівах збереглися документи, що підтверджують, що скромний книготорговець раптово розбагатів: скупив 13 будинків, великі ділянки землі в Парижі та Булоні, збудував 12 церков та кілька лікарень.
Втім, вчені в те, що комусь у Середньовіччі вдалося отримати справжнє золото чи діаманти, зрозуміло, не вірять – це все казки. Революція сталася у віці двадцятому, коли техніка і технології досягли необхідного розвитку. Жодної алхімії, виключно науковий підхід.
Як відомо, справжні (природні) дорогоцінні камені — лише тверді солі різних металів, молекули яких організовані в упорядковану структуру, т.зв. кристалічні ґрати. У природі кристали утворювалися протягом мільйонів років, у глибині земної кори, за високих температур (до 2000 °С) і під колосальним тиском сотні тисяч атмосфер. Місць, де складалися такі умови, вкрай мало, чим і пояснюється рідкість дорогоцінного каміння (за що, власне, вони й цінуються). Щоб синтезувати аналог природних мінералів, вченим необхідно було у лабораторних умовах відтворити природні явища, причому у прискореному варіанті. Отримати такі високі температури та тиск стало можливим лише на початку минулого століття.
Ця справа виявилася досить високотехнологічною і витратною, але не позбавленою сенсу — видобувні компанії не могли з об'єктивних причин задовольнити попит на каміння, а промисловість, що активно розвивалася, вимагала нових алмазів, сапфірів і рубінів. Зараз світовий ринок синтезованого каміння оцінюється більш ніж у $6 млрд; приблизно 86% посідає кристали, отримані потреб промисловості, 14% йде задоволення потреб ювелірів.
Майже всі види кристалів синтезують і в Росії, але в незначних обсягах. У підмосковному Троїцьку вирощують алмази, у Зеленограді – сапфіри, гранати, рубіни, під Нижнім Новгородом – рубіни, у Новосибірську – смарагди. Михайло Борік,старший науковий співробітник Наукового центру лазерних матеріалів та технологій ІОФАН ім. А.М. Прохорова: Так історично склалося: у якому місті за радянських часів розробили метод отримання того чи іншого кристала, там його й досі синтезують. Нових виробництв практично не виникло. Але потреба у штучних кристалах постійно зростає, і фахівців не вистачає.
Хачик Багдасаров: "Обладнання для вирощування кристалів коштує 300-400 тисяч доларів і починає окупатися вже на другий рік"
Рубінова лихоманка
У 1902 році французькому інженеру Вернейлю після численних невдалих спроб нарешті вдалося синтезувати невеликий кристал рубіна вагою 6 р. Фактично він став першим штучним дорогоцінним каменем, ідентичним природному. З погляду комерції прагнення Вернейля отримати саме рубін було цілком виправдано — у природі рубінів дуже мало. Зараз у світі видобувається близько п'яти тонн рубінів щорічно, тим часом попит обчислюється сотнями тонн (здебільшого вони потрібні не ювелірам, а годинникарам).
Початкова речовина, т.зв. шихту (порошок окису алюмінію з домішкою хрому), Вернейль пропустив через газовий пальник з температурою 2150 °С, і отриманий розплав при зниженні температури почав повільно кристалізуватися, перетворюючись на рубін. Очевидні простота і надійність методу Вернейля призвели до швидкої організації промислового виробництва кристалів рубіну спочатку у Франції, а згодом практично у всіх високорозвинених країнах. Саме завдяки синтетичним рубинам стала можлива низка відкриттів. Наприклад, на основі рубіна був винайдений лазер, що дозволив точно виміряти відстань від Землі до Місяця, використовувати космічний простір для комунікації та ін.
Пізніше виявилося, що за допомогою технології синтезу рубінів можна отримувати й інші цінні кристали — сапфіри та гранати: спочатку вихідна речовина плавиться при високих температурах, потім переохолоджується і кристалізується. Технологія проста і, що найцікавіше, доступна, як запевняє Хачик Багдасарів,завідувач відділу високотемпературної кристалізації Інституту кристалографії ім. А.В. Шубнікова РАН (займається синтезом сапфірів, рубінів та гранатів). Тим паче дивно, що у Росії синтезом кристалів займаються лічені компанії та лабораторії при НДІ. Нині найбільш рентабельним вважається метод Багдасарова, винайдений у НДІ кристалографії РАН. Хачик Багдасаров: Я першим застосував так звану горизонтально спрямовану кристалізацію для синтезу гранатів ще в 1965 році, і ця технологія виявилася значно економічнішою порівняно з поширеним методом Вернейля. Пояснюється все просто: у собівартості кристалів більшу частину займає електроенергія через необхідність підтримання високої температури та тиску. Коли синтезується горизонтальна пластина, а чи не вертикальний стрижень, енергії витрачається значно менше.
Проте, як стверджують фахівці, досі у світі попит на рубіни, сапфіри та гранати, що підганяється розвитком електронної промисловості, не задоволений. Сапфірове скло необхідне не тільки годинниковим фірмам (особливо швейцарським), для виробництва ілюмінаторів космічних кораблів і головок ракет, що самонаводяться, а й виробникам мобільних телефонів, чия щорічна потреба близько 6 млрд стекол! За допомогою граната, активованого іонами неодиму, виробляють найкращі лазери. У ювелірів зараз особливо цінується гранат зеленого та рожевого кольорів, які виходять завдяки добавкам відповідно до тулію або ербію (1 кг — $20-25).
Однак попит на тугоплавкі кристали зростає тільки з боку західних компаній, у Росії він прагне нуля через занепад виробництва електроніки. Хачик Багдасаров: Найбільше сапфір затребуваний корейськими (для потреб годинної промисловості) та японськими (для оптики) фірмами. Загалом у світі щорічно синтезують близько тисячі тонн сапфірів. Росія у цій справі явний аутсайдер. Наприклад, якщо до 90-х років у СРСР вирощувалося близько 180 тонн рубінів і близько 50 тонн сапфірів, то зараз лише 10-20 тонн рубіну, близько 20 тонн сапфіру та 100-120 кг гранатів.
За словами Ігоря Аляб'єва, заступника директора компанії "РОКОР" (займається виробництвом виробів із сапфіру), собівартість вирощування 1 кг кристалів сапфіру близько $600, з нього можна отримати 100 пластин вагою 5 г та вартістю $12 кожна. Синтетичний рубін для ювелірної промисловості коштує близько $60 за кілограм (порівняно: один карат (0,2 г) природного каменю — $50), для технічних цілей — від $70 за кілограм. При цьому чим більше монокристал, тим він дорожчий, а собівартість синтезу нижча. Так, монокристал сапфіру вагою до 6 кг оцінюється в $5-10 тис., причому собівартість одного кілограма близько $200 (а продажна ціна 1 кг — $500). Рентабельність бізнесу неважко підрахувати, і такий порядок цифр стосується всіх трьох згаданих вище кристалів. Світовий обсяг синтезу сапфіру близько тисячі тонн.
Зараз найбільші виробництва синтетичних рубінів (сотні мільйонів каратів на рік) зосереджені у Швейцарії, Франції, Німеччині, США та Великобританії. Спеціальні установки кристалізації випускає Таганрозький завод електротермічного обладнання. Хачик Багдасаров: Вітчизняне обладнання коштує близько $50 тис., західне — $300-400 тис. Важливий момент: має сенс створювати виробництво щонайменше з десятьма установками для рентабельних обсягів. Один цикл виробництва займає два-три дні, які з однієї установки вдається зняти 2 кг кристалів. "Відб'ється" обладнання вже на другий рік.
Ідентифікація каменю
Як запевняє Багдасаров, структура штучного та натурального каміння (як і зовнішній вигляд) ідентична, і цілком природно, що лабораторно синтезовані дорогоцінні мінерали цікавлять фальсифікаторів. "До мене років десять тому приїжджав один індус, просив синтезувати невідрізні від натурального каменю рубіни. Але через якийсь час індус зник, кажуть, його прибрали здобувачі природного каміння. Проте дорогоцінний камінь, ідентичний натуральному, для нас нескладно. виростити. І покупець ніколи не відрізнить його від природного", - розповідає він.
Михайло Борік: В ювелірних магазинах вистачає виробів із рубінів та сапфірів, отриманих у лабораторних умовах. Звичайний покупець на око їх точно не відрізнить. Навіть більшість продавців у ювелірних магазинах самі не знають, що продають. Щоправда, відомі виробники ювелірної продукції, які дорожать репутацією, ніколи не приховують де синтетика, а де природа. Проте при покупці дорогої прикраси завжди потрібно вимагати сертифікат на справжність каменю.
Як запевняє Хачик Багдасаров, коли в середині 50-х наука впритул підійшла до синтезу алмазів, при мінфінах усіх розвинених країн було створено спеціальні відділи, які контролюють успіхи вчених. Уявімо, що на ринок ринуть синтетичні, невідмінні від природних алмази — економіка низки країн просто впаде, а стратегічні запаси алмазів низки країн перетворяться на пил.
Найкращі друзі бурильника
Щорічно у світі видобувається в середньому 100-110 млн карат (приблизно 20 тонн) алмазів, і на світовому ринку 1 карат природного алмазу коштує від $55, правда, більшість каменів для ювелірки не підходить через дефекти, тріщини та сторонні вкраплення, але зате затребувана в промисловості, насамперед обробній, що потребує високих характеристик міцності мінералу. Проте, як стверджують фахівці, інструментальній, метало- та каменеобробній галузях необхідно приблизно в чотири рази більше алмазів, ніж їх видобувається, а в ряді високотехнологічних областей (при виготовленні елементів електроніки, датчиків ультрафіолетового випромінювання) природну сировину використовувати практично неможливо через присутність у 98% природних алмазів вкраплень азоту. Штучні алмази позбавлені всіх природних дефектів, т.к. людина зуміла створити їм ідеальні умови синтезу.
У 1953-1954 роках вченим із двох незалежних дослідницьких груп — шведської компанії ASEA та американської General Electric вперше вдалося синтезувати алмази розміром менше 1 мм. Для цього розплавили суміш графіту з залізом при температурі близько 2500 °С, а потім отриманий розплав помістили в тверде середовище, що стискається при тиску 70-80 тис. атмосфер. Василь Бугаков,заступник директора Інституту фізики високих тисків (Троїцьк; займається синтезом алмазів): Синтетичний алмаз, як і природний, вимірюється в каратах, а коштує на світовому ринку близько $10 за карат, вп'ятеро дешевше за природний. При цьому витрати на сировину та електроенергію становлять лише $5 на карат. Зараз із вирощування синтетичних алмазів Росія посідає третє місце, щорічно виробляючи 25 млн карат.
Щоправда, поки що алмази синтезують лише на користь промисловості — штучні камені ювелірної якості за своєю собівартістю поки що перевершують природні. До того ж розмір алмазів, що синтезуються, обмежений 3 мм, т.к. поки що просто відсутні матеріали, здатні витримати такі високі температуру і тиск при великих обсягах камери. Установку для синтезу 200 кг алмазів на місяць можна придбати за $30 тис.
На відміну від алмазів синтезовані смарагди використовуються виключно для ювелірної продукції, хоча якщо об'єктивно, вони не відрізняються особливою красою через відсутність дисперсії, тобто. розкладання сонячного світла на спектр, і цінуються виключно через свою рідкість, а також невеликі обсяги виробництва (щорічно у світі видобувається всього 500 кг природного смарагду, з них 300 кг на російському Уралі).
Отримують смарагд на відміну від основної маси кристалів не з розплаву сировини (смарагд розкладається при нагріванні), а з розчину ангідриду бору, синтезуючи в спеціальних гідротермальних камерах при відносно низьких температурах (близько 400 ° С) і тиску (близько 500 атмосфер). Гідротермічна установка для синтезу смарагдів щодо недорога ($5-10 тис.), але малопродуктивна (до 10 кг кристалів щомісяця). Собівартість 1 кг смарагду — $100-200, а продажна ціна одного карата приблизно дорівнює ціні природного каменю — близько $2.
Щорічно в Росії, на підприємстві в Новосибірську, синтезується до 100 кг смарагдів, у світі не більше однієї тонни.
Всупереч природі
У 1968 році російські фізики отримали прозорий кристал, що не має природного близнюка, і назвали його фіанітом на честь свого Фізичного інституту Академії наук (ФІАН), хоча перші досліди із синтезу подібних кристалів здійснювалися ще у 20-х роках французькими хіміками.
Метою синтезу фіаніту було одержання кристала для застосування у лазерах. Щоправда, перевершити гранат за своїми "лазерними" властивостями фіаніт не зміг, але його незвичайну красу, багатобарвність і дешевизну оцінили ювеліри (до 98% фіанітів виробляється для їх потреб). Для хірургії випускається скальпель з фіанітом ($500) — справа в тому, що деякі люди страждають на алергію на метал, а лезо з фіаніту дозволяє уникнути алергічної реакції.
Фіаніти синтезуються із суміші оксидів цирконію, алюмінію, натрію. Процес майже безвідходний, т.к. уламки та невдалі кристали переплавляються заново. Зі 100 кг сировини за добу за допомогою високочастотного генератора (близько $50 тис.) отримують до 30 кг кристалів фіаніту. Прозорість каменю залежить від температури плавлення — що вище температура, то прозоріше кристал. Олена Ломонова,завідувач лабораторії Наукового центру лазерних матеріалів та технологій ІОФАН: Вирощувати фіаніти легко і приємно, а додавання тих чи інших домішок дозволяє створювати унікальні кристали кольорів, що не зустрічаються в природі, наприклад лаванди, або домагатися незвичайних оптичних ефектів, таких як зміна кольору при зміні освітлення — т.зв. олександритовий ефект.
СРСР довгий час залишався монополістом з випуску фіанітів, диктуючи ціни, що спочатку доходили до $3 тис. за кілограм (хоча питання пріоритету виробництва фіанітів дуже спірне, американці його навіть заперечували в судовому порядку). В'ячеслав Осіко,директор Наукового центру лазерних матеріалів та технологій ІОФАН: Обманним шляхом із СРСР почали вивозити фіаніти, видаючи їх за діаманти. Для боротьби з ювелірними махінаціями навіть співробітників КДБ навчали відрізняти коштовне каміння від підробок.За здатність грати всіма кольорами веселки ювеліри називають фіаніт зухвалим каменем. Тепер у всьому світі синтезують понад 1 тис. тонн фіанітів щорічно, а ціна їхня знизилася до $60 за 1 кг. При цьому собівартість кілограма фіаніту, як стверджують фахівці, близько $30.
Кристал майбутнього
Втім, щодо зростання світових обсягів виробництва та рентабельності за синтезованим кремнієм, незамінним у мікроелектронній промисловості, сонячних батареях та інших технологічних пристроях, у найближчому майбутньому не наздогнати жодного кристала. Щорічно у світі випускається понад 30 тис. тонн кремнію, а за прогнозами, до 2010 року ця цифра подвоїться (зараз кристали кремнію займають 80% світового ринку всіх штучних кристалів). Проте, як стверджують фахівці, кремнію у світі катастрофічно не вистачає через зростання виробництва комп'ютерної та мікропроцесорної техніки.
В'ячеслав Осіко: "У свій час фіаніти вивозили, видаючи їх за діаманти"
У Росії її споживання кремнію, як та її виробництво, вкрай незначні з тієї ж причини скорочення виробництва електроніки. І якщо 1990 року в СРСР було вирощено 360 тонн кремнію, то торік у РФ лише 270 тонн, з яких лише 50 тонн для внутрішнього ринку. Наразі 1 кг кремнію коштує $100, при цьому рентабельність виробництва, за словами фахівців, перевищує 100%.
Як запевняє Хачик Багдасарян, інвестиції у виробництво кремнію та продукти, для випуску яких він необхідний, можуть виявитися золотим дном, а сировина для його синтезу (звичайний пісок) буквально під ногами: "Рока три тому в Німеччині я познайомився з молодим підприємцем, який починав виробництво сонячних батарей буквально з одного паяльника, а зараз щорічний прибуток €20 млн. Кремній вже давно став стратегічним матеріалом, що визначає науково-технологічний розвиток країни".
Завлабораторією Державного наукового центру рідкісних металів Михайло Мільвідський стверджує, що вчені всього світу працюють над нарощуванням обсягів виробництва кремнію, адже сонячна енергія порівняно з нафтою, газом та вугіллям дешева, екологічно чиста та нескінченна. Хачик Багдасарян: За прогнозами багатьох учених, до кінця XXI століття до 80% світової електроенергії вироблятиметься із сонячної чи вітрової енергії. І кремній у першому випадку – матеріал незамінний.
Щоправда, "атомне" лобі в Росії в цьому не зацікавлене, і тому, якщо у світі рух у бік безпечних та екологічно чистих способів вироблення електроенергії давно очевидний, у нас процеси зворотні.
ОЛЕСЯ ДЕЙНЕГА, ДМИТРИЙ ТИХОМИРІВ
|
ПОЛЬОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ Щось про діамантів Найдорожчий природний камінь — алмаз, видобуток якого зараз ведеться в 26 країнах (найбільші з них — Росія, Ботсвана і ПАР). Щорічно у світі видобувається в середньому 100-110 млн. карат (20 тонн) алмазів. Їхня висока ціна ($55 за карат) пояснюється не лише характеристиками каміння, а й рівнем монополізації в торгівлі: як відомо, корпорація "Де Бірс" контролює 70-80% природних алмазів, що поставляються на ринок. За даними Мінфіну, обсяг видобутку алмазів у Росії у першому півріччі 2005 року становив 17,7 млн карат за середньої ціни $51 за карат. Експорт необроблених природних алмазів з території РФ за січень-вересень 2005 року склав 23,6 млн карат, з них частка ювелірних алмазів - 20-25%. УПЕРЕДЖЕННЯ Таємна сила каміння Дорогоцінні камені здавна служили прикрасами та талісманами. Наприклад, єгиптяни охоче носили прикраси із смарагдів, бірюзи, аметистів та гірського кришталю. Римляни найвище ставили алмази та сапфіри. Нерідко камінь вказував на професію свого власника. Моряки вірили, що смарагд оберігає від небезпек у далеких плаваннях, турмалін надихав художників, аметист оберігав духовних осіб від спокуси. Вважається, що талісманом може бути тільки той камінь, який був подарований або передано у спадок. |
Штучне каміння давно завоювало популярність у ювелірних виробах. Адже для ювеліра цінність каменю визначається не лише його дефіцитом у природі. Важливу роль відіграє ціла низка інших характеристик:
- колір;
- світлозаломлення;
- міцність;
- вага у каратах;
- розмір та форма граней та ін.
Найдорожчий штучний дорогоцінний камінь Фіаніт (синоніми: даймонсквай, джеваліт, кубик цирконію, шелбі). Його ціна невелика - менше 10 $ за 1 карат (це 0,2 грама). Але слід зазначити, що зі збільшенням каратів ціна зростає експонентно. Наприклад, алмаз в 10 карат коштує в 100 разів дорожче за алмаз 1 карат.
Штучні кристали ювелірного каміння можна виростити в домашніх умовах. Більшість подібних експериментів не потребують спеціальної підготовки, вам не знадобиться облаштовувати хімічну лабораторію і навіть купувати спеціальні реактиви.
Для набуття досвіду вирощування кристалів починайте з малого. Ми поділимося технікою вирощування красивих кристалів із усього, що ви можете знайти фактично на власній кухні. Вам взагалі не знадобиться додатковий інвентар, адже все необхідне точно стоїть на полицях. Також розглянемо технологію вирощування штучних рубінів в домашніх умовах!
Як виростити кристали рубінів синтетично?
Вирощування кристалів рубіну може навіть стати варіантом домашнього бізнесу. Адже красиве синтетичне каміння вже сьогодні користується великим попитом серед покупців, тому у разі успішної реалізації проекту можуть принести вам непоганий прибуток. Синтетично вирощене каміння використовується ювелірами, а також мають широке застосування в техніці.
Кристали рубіну можна вирощувати за стандартною методикою, підібравши правильні солі. Але це буде не настільки ефективно, як у випадку із сіллю або цукром, при цьому набагато довше за тривалістю є процес зростання. Та й якість буде сумнівною. Адже натуральний рубін за шкалою твердості Моосу поступається лише Алмазу, посідаючи почесне 9-е місце. Звичайно, якщо йдеться про бізнес, в більшості випадків використовують інший спосіб, розроблений понад 100 років тому у Франції.
Вам буде потрібний спеціальний апарат, що має назву на ім'я винахідника даного способу, тобто апарат Вернейля. З його допомогою можна вирощувати кристали рубіну, розміром до 20-30 карат за кілька годин.
Хоча технологія залишається приблизно такою самою. Сіль двоокису алюмінію з домішкою оксиду хрому поміщають у накопичувач киснево-водневого пальника. Розплавляємо суміш, спостерігаючи, як практично "на очах" зростає рубін.
Залежно від складу обраної вами солі ви можете регулювати колір кристалів, отримуючи штучні смарагди, топази та абсолютно прозорі камені.
Робота з апаратом вимагатиме від вас уваги та деякого досвіду, зате надалі ви отримаєте можливість вирощувати кристали, які зачаровують своєю красою, прозорістю та грою кольору. Надалі такі шедеври добре подаються ограновування та шліфування, відповідно, можуть застосовуватися за призначенням.
Варто зазначити, що штучно вирощені кристали не є дорогоцінним камінням, тому навіть якщо ви вирішите зайнятися підприємницькою діяльністю з їх вирощування, це не вимагатиме від вас додаткового ліцензування.
Конструкція апарату нескладна, її можна зробити самостійно. Але на просторах Інтернету вже достатньо умільців, які пропонують креслення оригінальної установки та її вдосконалені варіанти.
Набір для вирощування кристалів рубіну в домашніх умовах
Сам принцип технології виробництва рубінів досить простий і схематично зображений нижче на малюнку:
Розуміючи принцип дії, будь-який пристрій не здається таким складним. Один із зразків креслень апарату Вернейля:
За цією технологією можна також вирощувати й інші дорогі штучні камені, такі як «Блакитний Топаз» і т.п.
Вирощування кристалів із солі в домашніх умовах
Найпростіший і найдоступніший експеримент, який ви можете провести – створити красиві сольові кристали. Для цього вам знадобиться кілька предметів:
- Звичайна кам'яна сіль.
- Вода. Важливо, щоб сама вода містила якнайменше власних солей, а краще дистильована.
- Місткість, в якій проводитиметься досвід (пригодиться будь-яка банка, склянка, каструля).
Наливаємо в ємність теплу воду (її температура становить близько 50 ° С). Додаємо у воду кухонну сіль та розмішуємо. Після розчинення додаємо знову. Повторюємо процедуру доти, доки сіль не перестане розчинятися, осідаючи на дно судини. Це говорить про те, що сольовий розчин став насиченим, що нам було потрібно. Важливо, щоб під час приготування розчину температура залишалася постійною, не остигала, так ми зможемо створити більш насичений розчин.
Насичений розчин переливаємо в чисту банку, відокремлюючи від осаду. Вибираємо окремий кристал солі, а потім поміщаємо його в ємність (можна підвісити на нитці). Експеримент виконано. За кілька днів ви зможете побачити, як збільшився у розмірах ваш кристал.
Вирощування кристалів із цукру в домашніх умовах
Технологія одержання цукрових кристаликів аналогічна попередньому способу. Можна опустити ватний джгут у розчин, тоді цукрові кристали наростатимуть на ньому. Якщо процес зростання кристалів став повільнішим, значить зменшилася концентрація цукру в розчині. Додайте в нього знову цукровий пісок, тоді процес відновиться.
На замітку: якщо додати розчин харчового барвника, то і кристали стануть різнобарвними.
Можна вирощувати цукрові кристалики на паличках. Для цього вам знадобиться:
- вже готовий цукровий сироп, приготований аналогічно насиченому сольовому розчину;
- дерев'яні палички;
- трохи цукрового піску;
- харчові барвники (якщо хочете різнокольорових льодяників).
Все відбувається дуже просто. Дерев'яну паличку вмочуйте в сиропі і обвалюєте в цукровому піску. Чим більше крупинок прилипне, тим красивішим буде результат. Дайте паличкам, як слід висохнути, а потім переходьте просто до другої фази.
Насичений гарячий цукровий сироп виливаємо в склянку, туди поміщаємо заготовлену паличку. Якщо ви готуєте різнокольорові кристали, то в гарячий сироп додайте харчовий барвник.
Слідкуйте, щоб паличка не торкалася стінок та дна, інакше результат буде негарним. Можна зафіксувати паличку за допомогою аркуша паперу, надівши його зверху. Папір послужить ще й кришкою для ємності, яка не дозволить ніяким стороннім частинкам потрапити до вашого розчину.
Приблизно через тиждень ви отримаєте чудові цукрові льодяники на паличках. Ними можна прикрасити будь-яке чаювання, привівши в повне захоплення не тільки дітей, а й дорослих!
Вирощування кристалів із мідного купоросу в домашніх умовах
Кристали із мідного купоросу виходять цікавої форми, при цьому мають насичений синій колір. Варто пам'ятати, що мідний купорос є хімічно активною сполукою, тому кристали з нього не слід куштувати на смак, а при роботі з матеріалом слід виявляти обережність. З цієї причини в цьому випадку підійде лише дистильована вода. Важливо, щоб вона була хімічно нейтральна. Будьте уважні та обережні при поводженні з мідним купоросом.
При цьому вирощування кристалів із купоросу відбувається фактично за тією ж схемою, що й попередні випадки.
Поміщаючи основний кристал для вирощування розчин, потрібно простежити, щоб він не стикався зі стінками посуду. І не забувайте стежити за насиченістю розчину.
Якщо ви помістили свій кристал на дні посудини, варто дивитися, щоб він не торкався інших кристаликів. У цьому випадку відбудеться їхнє зрощення, а замість одного красивого великого зразка у вас вийде маса невиразної форми.
Корисна порада! Можна самостійно регулювати розмір граней свого кристала. Якщо ви хочете, щоб деякі з них зростали повільніше, їх можна змастити жиром або вазеліном. А для збереження небесно-синього красеня можна обробити грані прозорим лаком.
Існує 3 вагові категорії діамантів:
- Дрібний. Маса 0,29 карата
- Середній. Маса від 0,3 до 0,99 карата
- Великий. Діаманти вагою понад 1 карат.
До популярних аукціонів допускають каміння масою від 6 карат. Камінням з масою понад 25 карат надають власні імена. Наприклад: "Вінстон" діамант (62,05 карат) або "Де Бірс" (234,5 карат) та ін.