Кристаллы и их свойства
к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например,
получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и
давлении 1000 ат.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и
разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими
примерами.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю
историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой
алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек.
Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.
Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы
используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так
велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения
алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку
инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными
камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в
других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не
обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но
разнообразию технических применении рубин — благородный корунд, окись
алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство
искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина
удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми
оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из
химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна
требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого
твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них
искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев,
рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.
Новая область для широкого применения рубинов в научных
исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера —
прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света,
испускаемою в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной
электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено
из кристаллов германия или кремния.
Как получаются драгоценные камни в природе
и как получают их искусственно
В начале было уже сказано о том, какие природные геологические процессы
существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результате
процессов, требующих высоких температур и давлений.
Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия
для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются
очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные
формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветов
образуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышах
пeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостях
кварцевых жил — кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенных
процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные
камни, как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания
и россыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому
что гораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.
При искусственном выращивании кристаллов в аппаратах создаются те же
физико-химические условия, которые характерны для природных процессов. Даже
некоторые термины, которые издавна используются геологами и минералогами,
нашли применение в техническом языке, например термин «гидротермальные
условия».
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают
замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими
свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала,
встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом
электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике.
Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие
находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин,
загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что
многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными
камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое
время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или
другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и
техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко
встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления
деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что
удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков
новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных
исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической
чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся
в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в
условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного
изготовления монокристаллов.
Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек
предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью
философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные
камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики
совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь
тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В
настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов.
Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже
может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов,
существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот.
Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима
выращивания кристаллов.
Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас
производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях
невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля
«Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.
Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления
необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых
кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на
глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу,
получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих
глубинах составляет 1000—1100°С, а давление превышает несколько десятков
атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как
показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы
поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких
условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают
карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной
массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления
в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет
механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва
газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с
большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам.
Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната —
пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита.
Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал,
сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.
Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. в Южной Африке.
В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии. Алмазы
добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размыва коренных
месторождений.
Около ста лет назад люди впервые попытались получить синтетический алмаз.
Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Он получил мелкие
кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло, литий и
углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первые
искусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллы
таким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало.
Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно
фантастическим. Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он
наполнял стальной цилиндр графитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в
топке. Затем два года заставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли
значительного размера. Как пишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей
аппаратуре два года, чтобы температура снижалась постепенно. Под конец я
перестал поддерживать огонь. Я из
| |  скачать работу |
Кристаллы и их свойства |
