Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.
Целенаправленное создание искусственных кристаллов минералов связано с именем французского химика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат - 0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попытки получения искусственных рубинов, и уже в конце XIX в. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французский химик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, позже сапфиры и шпинели.
Несколько позже были синтезированы кристаллы многих драгоценных камней, нашедшие наряду с природными широкое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и в промышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.
В последние полвека в связи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастает потребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими как пьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные, оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуются кристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты не обладают. Все это способствует становлению промышленного выращивания искусственных кристаллов.
Работы по теории и практике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научных исследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности в природных условиях.
Моделирование природных процессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить ряд причин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.
Список используемой литературы
1. Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. М.: Альфа-М, 1989. - 156 с.
2. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник. - М.: КДУ, 2005. - 592 с.
3. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. М.: ГОСГЕО - ЛТЕХИЗДАТ, 1955г. - 215с
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследовательская работа
КРИСТАЛЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Автор работы: Кривошеев Евгений
ученик 7«Б» класса МБОУСОШ №1
Г.Завитинска Амурской области
Руководитель работы : Конченко Н.С.
учитель физики МБОУСОШ №1
Г.Завитинска Амурской области
Завитинск.
2013г.
- Введение
- 1. Кристалл. Его свойства, строение и форма
- 2. Жидкие кристаллы
- 3. Применение ЖК
- 4. Применение кристаллов в науке и технике
- 5. Практическая часть
- Заключение
- Список литературы
- Введение
- Актуальность работы :
- Так как кристаллы имеют широкое применение в науке и технике, то трудно назвать такую отрасль производства, где не использовались бы кристаллы. Поэтому знать и разбираться в свойствах кристаллов очень важно для каждого человека.
- Цель исследования : Выращивание кристалла из раствора в домашних условиях, изучение практического применения кристаллов в науке и технике.
- Задачи:
- 1.Изучение теории о кристаллах.
- 2.Изучение материала по выращиванию кристалла в обычных условиях и в лабораторных условиях.
- 3.Наблюдение за образованием кристалла.
- 4.Описание наблюдений.
- 5.Изучение области применения кристаллов в современной жизни.
1. Кристалл. Его свойства, строение и форма
Слово «кристалл» происходит от греческого «crustallos », то есть «лед». Твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).
Образование кристаллов.
Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды. кристалл жидкий выращивание лабораторный
Вокружающем нас мире часто можно наблюдать образование кристаллов непосредственно из газовой среды, из растворов и из расплава. В тихую морозную ночь при ясном небе, в ярком свете луны или фонаря, мы иногда видим поблескивающие искорками медленно опускающиеся чешуйки инея. Это пластинчатые кристаллики льда, образующиеся тут же около нас из влажного и остывшего воздуха.
Структура твердых тел зависит от условий, в которых происходит переход из жидкого в твёрдое состояние. Если такой переход происходит очень быстро, например, при резком охлаждении жидкости, то частицы не успевают выстроиться в правильную структуру и образуется мелкокристаллическое тело. При медленном охлаждении жидкости получаются крупные и правильной формы кристаллы. В некоторых случаях, для того чтобы вещество закристаллизовалось, его приходиться выдерживать при различных температурах. Также на рост кристалла влияет внешнее давление. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Строение кристаллов
Разнообразие кристаллов по форме очень велико.
Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. На форму оказывают влияние такие факторы, как температура, давление, частота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм.
Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же -- 120°.
Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах -- кристаллографии.
Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала.
Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр.
Виды кристаллов
Кроме того различают монокристаллы и поликристаллы.
Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко.
Монокристаллами являются кварц, алмаз, рубин и многие другие драгоценные камни.
Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.
Поликристаллами являются все металлы.
2. Жидкие кристаллы
Жидкий кристалл - это особое состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.
Консистенция жидких кристаллов может быть разной - от легкотекучей жидкой до пастообразной. Жидкие кристаллы имеют необычные оптические свойства, что используется в технике.Жидкие кристаллы образуются из молекул, имеющих разную геометрическую форму. таких, как цвет, прозрачность и др. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов.
3. Применение ЖК
Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять 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.
Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном.
4. Применение кристаллов в науке и технике
В наше время кристаллы имеют очень широкое применение в науке, технике и медицине.
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.
Огромное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвёрдые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать только самим же алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки и пасты. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами.
Гранат также используется в абразивной промышленности. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Они иногда заменяют в приборостроении рубин.
Из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Искусственное «горное солнце» - аппарат, широко применяемый в медицине. При включении данный аппарат излучает ультрафиолетовый свет, эти лучи являются целебными. В данном аппарате лампа сделана из кварцевого стекла. Кварцевая лампа используется не только в медицине, но и в органической химии, минералогии, помогает отличить фальшивые марки, денежные купюры от настоящих. Чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя используются при изготовлении призм, спетрографов, поляризующих пластинок.
Флюорит используется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для изготовления призм спектрографов и в других оптических приборах.
5. Практическая часть
Выращивание кристаллов медного купороса.
Медный купорос -- пятиводный сульфат меди, так как крупные кристаллы напоминают цветное синее стекло. Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, в промышленности при производстве искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, мышьяковистых химикатов.
Способ выращивания в домашних условиях:
1) Для начала приготовим раствор концентрированного купороса. После этого слегка подогреем смесь, чтобы добиться полного растворения соли. Для этого стакан поставим в кастрюлю с теплой водой.
2) Полученный концентрированный раствор перельем в банку или химический стакан; туда же подвесим на нитке кристаллическую "затравку" - маленький кристаллик той же соли - так, чтобы он был погружен в раствор. На этой "затравке" и предстоит расти будущему экспонату вашей коллекции кристаллов.
3) Сосуд с раствором поставим в открытом виде в теплое место. Когда кристалл вырастет достаточно большим, вынем его из раствора, обсушим мягкой тряпочкой или бумажной салфеткой, обрежем нитку и покроем грани кристалла бесцветным лаком, чтобы предохранить от "выветривания" на воздухе.
Наблюдение за процессом роста кристаллов медного купороса.
Для начала мы налили в химический стакан раствор медного купороса, привязали на нитку затравку. И опустили в стакан кристалл. Уже на следующий день у нас появился поликристалл довольно больших размеров, около 2 сантиметров в длине. Сам кристалл был очень неровный, с небольшими столбцами. Дальше кристаллизация не продолжалась, сколько бы мы не ждали.
Но мы на этом не останавливались и сделали ещё два кристалла медного купороса. Только затравку мы взяли из столбца неполучившегося кристалла. В одном растворе температура постоянно менялась, а в другом стакане была неизменной. Через несколько суток у нас получились два полноценных монокристалла медного купороса. Они получились с ровными гранями, абсолютно симметричные. Так я понял что для того чтобы сделать ровный кристалл надо чтобы затравка тоже была ровной и симметричной.
Наблюдение за процессом роста кристаллов в растворах солей под микроскопом.
Рассматривать кристаллы под микроскопом очень интересно, так как чем "моложе" кристалл, тем более правильную форму он имеет. Изучение кристаллов под микроскопом не занимает много времени и ресурсов: для приготовления раствора необходимо всего несколько грамм соли, да и времени на рост кристалла уходит не так много.
Наносили на предметное стекло микроскопа несколько капель насыщенного раствора различных солей. Стекло слегка подогревали пламенем спиртовки и помещали на столик микроскопа. Перемещением предметного стекла и регулированием увеличения добивались такого положения, чтобы капля заняла все поле зрения микроскопа. Через небольшой промежуток времени (около 1 мин) на краю капли, где она высыхает быстрее, начиналась кристаллизация. Возникшие мелкие кристаллы образовывали по краям капли сплошную непрозрачную корку, которая в проходящем свете кажется темной. Постепенно из этой массы кристаллов начинали проступать направленные внутрь капли отдельные острия индивидуальных кристаллов, которые, разрастаясь, образуют разнообразные формы. Чаще всего новые центры кристаллизации в свободном пространстве внутри капли, как правило, самопроизвольно не возникали. Через некоторое время все поле зрения заполнялось кристаллами, и кристаллизация практически заканчивалась.
Заключение
Таким образом, кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. Мы живем в мире, состоящем из кристаллов, строим из них, обрабатываем их, едим их, лечимся ими… Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк - кристалличны. Даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, оболочка нервов. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов вглубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.
В результате проведенной работы я могу сделать следующие выводы:
1. Кристалл - это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней.
2. Кристаллы бывают разных цветов, но в большинстве своём прозрачны.
3. Кристаллы - совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту, - почти все они относятся к кристаллам. Песок и гранит, поваренная соль и сахар, алмаз и изумруд, медь и железо - всё это кристаллические тела.
4. Самые ценные среди кристаллов - драгоценные камни.
5. Я вырастил кристалл в домашних условиях из насыщенного раствора медного купороса.
Таким образом, цели и задачи, которые были обозначены мной в начале работы, достигнуты. В результате проведенной работы я опытным путём нашёл доказательство для предположения, которое было высказано английским кристаллографом Франком о ступенчатом росте кристаллов.
Проведенная работа была очень интересной и занимательной. Мне бы хотелось ещё вырастить кристаллы из других веществ, ведь их так много вокруг нас…
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Твёрдые кристаллы: структура, рост, свойства. "Наличие порядка" пространственной ориентации молекул как свойство жидких кристаллов. Линейно поляризованный свет. Нематические, смектические и холестерические кристаллы. Общее понятие о сегнетоэлектриках.
курсовая работа , добавлен 17.11.2012
Примеры применения монокристаллов. Семь кристаллических систем: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная и кубическая. Простые формы кристаллов. Получение перенасыщенного раствора и выращивание кристалла.
презентация , добавлен 09.04.2012
История открытия жидких кристаллов, особенности их молекулярного строения, структура. Классификация и разновидности жидких кристаллов, их свойства, оценка преимуществ и недостатков практического использования. Способы управления жидкими кристаллами.
курсовая работа , добавлен 08.05.2012
Общая характеристика поверхностных явлений в жидких кристаллах. Рассмотрение отличительных особенностей смектических жидких кристаллов, различных степеней их упорядочения. Исследование анизотропии физических свойств мезофазы, степени упорядочения.
реферат , добавлен 10.10.2015
Жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние вещества. Образование новой фазы. Типы жидких кристаллов: смекатические, нематические и холестерические. Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Работы Д. Форлендера, способствовавшие синтезу соединений.
презентация , добавлен 27.12.2010
История открытия жидких кристаллов. Их классификация, молекулярное строение и структура. Термотропные жидкие кристаллы: смектический, нематический и холестерический тип. Лиотропные ЖК. Анизотропия физических свойств. Как управлять жидкими кристаллами.
реферат , добавлен 27.05.2010
Понятие строения вещества и основные факторы, влияющие на его формирование. Основные признаки аморфного и кристаллического вещества, типы кристаллических решеток. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов. Сущность изоморфизма и полиморфизма.
контрольная работа , добавлен 26.10.2010
Физические и физико-химические свойства ферритов. Структура нормальной и обращенной шпинели. Обзор метода спекания и горячего прессования. Магнитные кристаллы с гексагональной структурой. Применение ферритов в радиоэлектронике и вычислительной технике.
курсовая работа , добавлен 12.12.2016
Эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Исследование форм кристаллов NaCl, образуемых при сублимации из водного раствора; структурное соответствие эпитаксиальных пар по срастающимся граням и отдельным рядам.
курсовая работа , добавлен 04.04.2011
Изучение понятия, видов и способов образования кристаллов - твердых тел, в которых атомы расположены закономерно, образуя трехмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решетку. Образование кристаллов из расплава, раствора, пара.
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:
- Конкурс
Районный конкурс учебно -исследовательских проектов кристаллы их применения . Однако отмечен...
Учебно-исследовательских проектов школьников «эврика» секция « химия»
КонкурсРайонный 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...
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» ...
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.
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%. 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. |