Першу спробу отримання штучних кристалів можна віднести до Середньовіччя, на період розквіту алхімії. І хоча кінцевою метою дослідів алхіміків було отримання золота з простих речовин, можна припустити, що вони намагалися виростити кристали дорогоцінного каміння.
Цілеспрямоване створення штучних кристалів мінералів пов'язане з ім'ям французького хіміка М. Годена, якому в 1837 вдалося отримати найдрібніші (в 1 карат - 0,2 г) кристали рубіну. Надалі робилися неодноразові спроби отримання штучних рубінів, і вже наприкінці ХІХ ст. вдалося синтезувати ряд сполук групи корунду. На 1902 р. французький хімік М.А. Вернейль почав постачати світовий ринок синтетичні рубіни, пізніше сапфіри і шпинелі.
Дещо пізніше були синтезовані кристали багатьох дорогоцінного каміння, що знайшли поряд з природними широке застосування не тільки як ювелірну сировину, а й у промисловості, де знадобилися вже монокристали досить великих розмірів.
В останні півстоліття у зв'язку з бурхливим розвитком техніки та приладобудування з кожним роком зростає потреба в кристалах, що мають специфічні властивості, такі як п'єзоелектричні, напівпровідникові, люмінесцентні, акустичні, лазерні, оптичні тощо. Крім того, для створення сучасних приладів потрібні кристали з такими унікальними властивостями, якими природні об'єкти не мають. Усе це сприяє становленню промислового вирощування штучних кристалів.
Роботи з теорії та практики вирощування кристалів сприяли інтенсивному розвитку наукових досліджень у галузі процесів реального кристалоутворення, зокрема у природних умовах.
Моделювання природних процесів кристалоутворення в лабораторії дозволяє зрозуміти і пояснити ряд причин зародження, зростання та руйнування кристалів у реальних умовах.
Список використаної літератури
1. Булах А.Г. Мінералогія з основами кристалографії. М: Альфа-М, 1989. - 156 с.
2. Єгоров-Тисменко Ю.К. Кристалографія та кристалохімія: підручник. – К.: КДУ, 2005. – 592 с.
3. Попов Г.М., Шафрановський І.І. Кристалографія. М: ГОСГЕО - ЛТЕХІЗДАТ, 1955г. - 215с
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Дослідницька робота
КРИСТАЛИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ
Автор роботи:Кривошеєв Євген
учень 7 «Б» класу МБОУСОШ №1
Г.Завітінська Амурської області
Керівник роботи: Конченко Н.С.
вчитель фізики МБОУСОШ №1
Г.Завітінська Амурської області
Завітинськ.
2013р.
- Вступ
- 1. Кристал. Його властивості, будова та форма
- 2. Рідкі кристали
- 3. Застосування ЖК
- 4. Застосування кристалів у науці та техніці
- 5. Практична частина
- Висновок
- Список літератури
- Вступ
- Актуальність роботи:
- Так як кристали мають широке застосування в науці та техніці, то важко назвати таку галузь виробництва, де не використовувалися б кристали. Тому знати і розумітися на властивостях кристалів дуже важливо кожному за людини.
- Мета дослідження: Вирощування кристала з розчину в домашніх умовах, вивчення практичного застосування кристалів у науці та техніці.
- Завдання:
- 1. Вивчення теорії про кристали.
- 2.Вивчення матеріалу з вирощування кристала у звичайних умовах та в лабораторних умовах.
- 3.Спостереження за утворенням кристала.
- 4.Опис спостережень.
- 5.Вивчення сфери застосування кристалів у сучасному житті.
1. Кристал. Його властивості, будова та форма
Слово «кристал» походить від грецької « crustallos», тобто «лід». Тверді тіла, атоми чи молекули яких утворюють впорядковану періодичну структуру (кристалічні грати).
Освіта кристалів.
Кристали утворюються трьома шляхами: з розплаву, з розчину та з пари. Прикладом кристалізації з розплаву може бути утворення льоду з води. кристал рідкий вирощування лабораторний
Навколишній світ часто можна спостерігати утворення кристалів безпосередньо з газового середовища, з розчинів і з розплаву. У тиху морозну ніч при ясному небі, в яскравому світлі місяця або ліхтаря, ми іноді бачимо лусочки інею, що поблискують іскорками повільно опускаються. Це пластинчасті кристалики льоду, що утворюються тут же біля нас з вологого та охолодженого повітря.
Структура твердих тіл залежить від умов, у яких відбувається перехід із рідкого у твердий стан. Якщо такий перехід відбувається дуже швидко, наприклад, при різкому охолодженні рідини, то частинки не встигають вишикуватися в правильну структуру і утворюється дрібнокристалічний тіло. При повільному охолодженні рідини виходять великі та правильні форми кристали. У деяких випадках, щоб речовина закристалізувалася, її доводиться витримувати за різних температур. Також зростання кристала впливає зовнішній тиск. Крім того, значна частина кристалів, які мали в минулому досконале огранювання, встигла втратити її під дією води, вітру, тертя про інші тверді тіла. Так, багато округлих прозорих зерен, які можна знайти в прибережному піску, є кристалами кварцу, що втратили грані в результаті тривалого тертя один про одного.
Будова кристалів
Різноманітність кристалів формою дуже велика.
Кристали можуть мати від чотирьох до кількох сотень граней. Але при цьому вони мають чудову властивість - якими б не були розміри, форма і число граней одного і того ж кристала, всі плоскі грані перетинаються один з одним під певними кутами. Кути між відповідними гранями завжди однакові. На форму впливають такі чинники, як температура, тиск, частота, концентрація та напрямок руху розчину. Тому кристали однієї і тієї ж речовини можуть виявляти велику різноманітність форм.
Кристали кам'яної солі, наприклад, можуть мати форму куба, паралелепіпеда, призми або тіла більш складної форми, але їх грані завжди перетинаються під прямими кутами. Грані кварцу мають форму неправильних шестикутників, але кути між гранями завжди одні й самі - 120°.
Закон сталості кутів, відкритий 1669 р. датчанином Миколою Стено, є найважливішим законом науки про кристали - кристалографії.
Вимірювання кутів між гранями кристалів має дуже велике практичне значення, оскільки за результатами цих вимірів у багатьох випадках може бути визначено природа мінералу.
Найпростішим приладом для вимірювання кутів кристалів є прикладний гоніометр.
Види кристалів
Крім того розрізняють монокристали та полікристали.
Монокристал є монолітом з єдиною непорушеною кристалічною решіткою. Природні монокристали великих розмірів трапляються дуже рідко.
Монокристалами є кварц, алмаз, рубін і багато інших дорогоцінних каменів.
Більшість кристалічних тіл є полікристалічними, тобто складаються з безлічі дрібних кристаликів, іноді видно лише при сильному збільшенні.
Полікристалами є всі метали.
2. Рідкі кристали
Рідкий кристал - це особливий стан речовини, проміжний між рідким та твердим станами. У рідини молекули можуть вільно обертатися та переміщатися у будь-яких напрямках. У рідкому кристалі є певний ступінь геометричної впорядкованості розташування молекул, але допускається і деяка свобода переміщення.
Консистенція рідких кристалів може бути різною – від легкоплинної рідкої до пастоподібної. Рідкі кристали мають незвичайні оптичні властивості, що використовують у техніці. Рідкі кристали утворюються з молекул, мають різну геометричну форму. таких, як колір, прозорість та ін. На цьому засновані численні застосування рідких кристалів.
3. Застосування ЖК
Розташування молекул у рідких кристалах змінюється під впливом таких чинників, як температура, тиск, електричні та магнітні поля; зміни розташування молекул призводять до зміни оптичних властивостей, таких, як колір, прозорість і здатність до обертання площини поляризації проходить світла. На цьому засновані численні застосування рідких кристалів. Наприклад, залежність кольору від температури використовується для медичної діагностики. Наносячи на тіло пацієнта деякі рідкокристалічні матеріали, лікар може легко виявляти 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.
Тонкі плівки рідких кристалів, укладені між склом або листками пластмаси, знайшли широке застосування як індикаторні пристрої. Рідкі кристали широко застосовуються у виробництві наручного годинника і невеликих калькуляторів. Створюються плоскі телевізори із тонким рідкокристалічним екраном.
4. Застосування кристалів у науці та техніці
У наш час кристали мають дуже широке застосування у науці, техніці та медицині.
Алмазними пилками розпилюють каміння. Алмазна пилка - це великий (до 2-х метрів у діаметрі) сталевий диск, що обертається, на краях якого зроблені надрізи або зарубки. Дрібний порошок алмазу, змішаний з якоюсь клейкою речовиною, втирають у ці надрізи. Такий диск, обертаючись із великою швидкістю, швидко розпилює будь-який камінь.
Величезне значення має алмаз під час буріння гірських порід, у гірничих роботах. У граверних інструментах, ділильних машинах, апаратах для випробування твердості, свердлах для каменю та металу вставлені алмазні вістря. Алмазним порошком шліфують і полірують тверді камені, загартовану сталь, тверді та надтверді сплави. Сам алмаз можна різати, шліфувати і гравірувати лише самим алмазом. Найбільш відповідальні деталі двигунів в автомобільному та авіаційному виробництві обробляють алмазними різцями та свердлами.
Корундом можна свердлити, шліфувати, полірувати, точити камінь та метал. З корунду та наждака роблять точильні круги та бруски, шліфувальні порошки та пасти. На напівпровідникових заводах найтонші схеми малюють рубіновими голками.
Гранат також використовується у абразивній промисловості. З гранатів виготовляють шліфувальні порошки, точильні круги, шкірки. Вони іноді замінюють у приладобудуванні рубін.
З прозорого кварцу роблять лінзи, призми та ін деталі оптичних приладів. Штучне «гірське сонце» - апарат, який широко застосовується в медицині. При включенні даний апарат випромінює ультрафіолетове світло, ці промені є цілющими. У цьому апараті лампа зроблена з кварцового скла. Кварцова лампа використовується не тільки в медицині, але і в органічній хімії, мінералогії, допомагає відрізнити фальшиві марки, купюри від справжніх. Чисті бездефектні кристали гірського кришталю використовуються при виготовленні призм, спетрографів, пластинок, що поляризують.
Флюорит використовується виготовлення лінз телескопів і мікроскопів, виготовлення призм спектрографів та інших оптичних приладах.
5. Практична частина
Вирощування кристалів мідного купоросу.
Мідний купорос – п'ятиводний сульфат міді, оскільки великі кристали нагадують кольорове синє скло. Мідний купорос застосовують у сільському господарстві для боротьби зі шкідниками та хворобами рослин, у промисловості при виробництві штучних волокон, органічних барвників, мінеральних фарб, миш'яковистих хімікатів.
Спосіб вирощування в домашніх умовах:
1) Для початку приготуємо розчин концентрованого купоросу. Після цього злегка підігріємо суміш, щоб досягти повного розчинення солі. Для цього склянку поставимо в каструлю із теплою водою.
2) Отриманий концентрований розчин переллємо в банку чи хімічну склянку; туди ж підвісимо на нитці кристалічну "затравку" - маленький кристалик тієї ж солі - так, щоб він був занурений у розчин. На цій "затравці" і доведеться рости майбутньому експонату вашої колекції кристалів.
3) Посудину з розчином поставимо у відкритому вигляді у тепле місце. Коли кристал виросте досить великим, виймемо його з розчину, обсушимо м'якою ганчірочкою або паперовою серветкою, обріжемо нитку і покриємо грані кристала безбарвним лаком, щоб запобігти "вивітрюванню" на повітрі.
Спостереження за процесом зростання кристалів мідного купоросу.
Для початку ми налили в хімічну склянку розчин мідного купоросу, прив'язали на нитку затравку. І опустили у склянку кристал. Вже наступного дня у нас з'явився полікристал досить великих розмірів, близько 2 сантиметрів завдовжки. Сам кристал був дуже нерівний, із невеликими стовпцями. Далі кристалізація не тривала, скільки б ми не чекали.
Але ми на цьому не зупинялися і зробили ще два кристали мідного купоросу. Тільки затравку ми взяли зі стовпця кристала, що не вийшов. В одному розчині температура постійно змінювалася, а в іншій склянці була незмінною. За кілька діб у нас вийшло два повноцінні монокристали мідного купоросу. Вони вийшли із рівними гранями, абсолютно симетричні. Так я зрозумів що для того щоб зробити рівний кристал треба, щоб затравка теж була рівною і симетричною.
Спостереження за процесом зростання кристалів у розчинах солей під мікроскопом.
Розглядати кристали під мікроскопом дуже цікаво, тому що чим "молодший" кристал, тим більше правильну форму він має. Вивчення кристалів під мікроскопом не займає багато часу і ресурсів: для приготування розчину необхідно всього кілька грамів солі, та й часу на зростання кристала йде не так багато.
Наносили на предметне скло мікроскопа кілька крапель насиченого розчину різних солей. Скло злегка підігрівали полум'ям спиртівки та поміщали на столик мікроскопа. Переміщенням предметного скла і регулюванням збільшення домагалися такого положення, щоб крапля зайняла поле зору мікроскопа. Через невеликий проміжок часу (близько 1 хв) на краю краплі, де вона висихає швидше, починалася кристалізація. Виниклі дрібні кристали утворювали по краях краплі суцільну непрозору кірку, яка в світлі здається темною. Поступово з цієї маси кристалів починали проступати спрямовані всередину краплі окремі вістря індивідуальних кристалів, які, розростаючись, утворюють різноманітні форми. Найчастіше нові центри кристалізації у вільному просторі всередині краплі, як правило, спонтанно не виникали. Через деякий час все поле зору заповнювалося кристалами і кристалізація практично закінчувалася.
Висновок
Таким чином, кристали одні з найкрасивіших та загадкових витворів природи. Ми живемо у світі, що складається з кристалів, будуємо з них, обробляємо їх, їмо їх, лікуємося ними... Вивченням різноманіття кристалів займається наука кристалографії. Вона всебічно розглядає кристалічні речовини, досліджує їх властивості та будову. У давнину вважалося, що кристали є рідкістю. Справді, перебування у природі великих однорідних кристалів - явище нечасте. Однак дрібнокристалічні речовини зустрічаються дуже часто. Так, наприклад, майже всі гірські породи: граніт, пісковики, вапняк – кристалічні. Навіть деякі частини організму кристалічні, наприклад, рогівка ока, вітаміни, оболонка нервів. Довгий шлях пошуків та відкриттів, від виміру зовнішньої форми кристалів углиб, у тонкощі їхньої атомної будови ще не завершено. Але тепер дослідники досить добре вивчили його структуру та вчаться керувати властивостями кристалів.
В результаті проведеної роботи я можу зробити такі висновки:
1. Кристал – це твердий стан речовини. Він має певну форму та певну кількість граней.
2. Кристали бувають різних кольорів, але здебільшого прозорі.
3. Кристали – зовсім не музейна рідкість. Кристали оточують нас усюди. Тверді тіла, з яких ми будуємо будинки і робимо верстати, речовини, які ми вживаємо в побуті, - майже всі вони належать до кристалів. Пісок та граніт, кухонна сіль та цукор, алмаз та смарагд, мідь та залізо – все це кристалічні тіла.
4. Найцінніші серед кристалів - дорогоцінні камені.
5. Я виростив кристал у домашніх умовах із насиченого розчину мідного купоросу.
Таким чином, мети та завдання, які були позначені мною на початку роботи, досягнуто. В результаті проведеної роботи я досвідченим шляхом знайшов доказ для припущення, яке було висловлено англійським кристалографом Франком про ступінчасте зростання кристалів.
Проведена робота була дуже цікавою та цікавою. Мені хотілося б ще виростити кристали з інших речовин, адже їх так багато навколо нас…
Розміщено на Allbest.ru
...Подібні документи
Тверді кристали: структура, зростання, властивості. "Наявність порядку" просторової орієнтації молекул як властивість рідких кристалів. Лінійно поляризоване світло. Нематичні, смектичні та холестеричні кристали. Загальне поняття про сегнетоелектрики.
курсова робота , доданий 17.11.2012
Приклади застосування монокристалів. Сім кристалічних систем: триклінна, моноклінна, ромбічна, тетрагональна, ромбоедрична, гексагональна та кубічна. Прості форми кристалів. Одержання перенасиченого розчину та вирощування кристала.
презентація , додано 09.04.2012
Історія відкриття рідких кристалів, особливості їхньої молекулярної будови, структура. Класифікація та різновиди рідких кристалів, їх властивості, оцінка переваг та недоліків практичного використання. Способи керування рідкими кристалами.
курсова робота , доданий 08.05.2012
Загальна характеристика поверхневих явищ у рідких кристалах. Розгляд відмінних рис рідкісних смектичних кристалів, різних ступенів їх упорядкування. Дослідження анізотропії фізичних властивостей мезофази, ступеня впорядкування.
реферат, доданий 10.10.2015
Рідкокристалічний (мезоморфний) стан речовини. Утворення нової фази. Типи рідких кристалів: смекатичні, нематичні та холестеричні. Термотропні та ліотропні рідкі кристали. Роботи Д. Форлендера, які сприяли синтезу сполук.
презентація , доданий 27.12.2010
Історія відкриття рідких кристалів. Їх класифікація, молекулярна будова та структура. Термотропні рідкі кристали: смектичний, нематичний та холестеричний тип. Ліотропні РК. Анізотропія фізичних якостей. Як керувати рідкими кристалами.
реферат, доданий 27.05.2010
Поняття будови речовини та основні фактори, що впливають на її формування. Основні ознаки аморфної та кристалічної речовини, типи кристалічних решіток. Вплив типу зв'язку на структуру та властивості кристалів. Сутність ізоморфізму та поліморфізму.
контрольна робота , доданий 26.10.2010
Фізичні та фізико-хімічні властивості феритів. Структура нормальної та зверненої шпинелі. Огляд методу спікання та гарячого пресування. Магнітні кристали із гексагональною структурою. Застосування феритів у радіоелектроніці та обчислювальній техніці.
курсова робота , доданий 12.12.2016
Епітаксія – орієнтоване зростання одного кристала на поверхні іншого (підкладки). Дослідження форм кристалів NaCl, що утворюються під час сублімації з водного розчину; структурна відповідність епітаксійних пар по зростаючих гранях і окремих рядах.
курсова робота , доданий 04.04.2011
Вивчення поняття, видів та способів утворення кристалів - твердих тіл, у яких атоми розташовані закономірно, утворюючи тривимірно-періодичне просторове укладання - кристалічну решітку. Освіта кристалів із розплаву, розчину, пари.
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, 1940-х років, були синтезовані смарагди, а 1955 р. фірма «Дженерал електрик» і 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 задарма, 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 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 підкреслити, що рідкі кристали займають проміжне положення між істинними кристалами та рідинами як за температурою, так і за своїми фізичними властивостями. Нематичні рідкі кристали в 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 поля 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. З цією метою вони привабливі тим, що з управління ними потрібна мізерна кількість енергії, а деяких випадках 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» виник 80-ті роки ХХ 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.
Виробний 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. Сильне механічне вплив 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.
густина
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 у торгівлі дорогоцінним камінням й у ювелірному 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 лежать 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 змішування 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, а 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 зіниці 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 лише 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 оксид 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 з 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 посудину 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 в домашніх умовах, 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 домагаючись 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 із 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 тільки здобути диво, але ще й заробити на ньому, наприклад, отримати зі свинцю золото або перетворити 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 настільки 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 та надійність методу Вернейля призвели до швидкої організації промислового виробництва кристалів рубіну спершу у Франції, а пізніше 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 за високих температур, потім переохолоджується і в результаті 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. Уявимо, що на ринок ринуть синтетичні, невідмінні від природних алмази — економіка низки країн просто впаде, а стратегічні запаси алмазів низки країн перетворяться на пилюку.
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 і 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 із 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 споживання кремнію, як і його 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. |