автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
---------------
 
 
Архив
 
Дом ученых и специалистов Реховота
 
Путешествие к горизонтам знаний

Реховот

 

Искусственные кристаллы. Как их выращивают

(Публикация содержит частичный материал.
Интересующихся продолжением просьба звонить по тел. 050-9455328)


Автор доктор В. Ляховицкая

 

21.06.2009 г.

 

Немного истории

 

Материя, как хорошо известно, может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом, отличающихся друг от друга разной степенью взаимного притяжения молекул, атомов и ионов. В газах материальные частицы находятся в непрерывном движении. В твердых телах они "скованы ", причем в зависимости от того, хаотически или закономерно расположены частицы, различают аморфные и кристаллические твердые тела. Название кристалл ( по - гречески "кристаллос", застывший на холоде) еще в глубокой древности относилось к прозрачному кристаллу шестиугольной формы - кварцу ( горный хрусталь ). Он считался "небесной влагой", которая образовалась из льда, охлажденного до такой степени, что даже сильное пламя неспособно было вернуть его в первоначальное состояние.

 

Многогранники и симметрия

 

С незапамятных времен при производстве горных работ люди находили минералы, имеющие форму многогранников. Позднее все многогранники стали называть кристаллами. Возникает даже наука – кристаллография, которая занимается геометрическим описанием различных форм кристаллов. Импульсом к зарождению и развитию криталлографии в древности послужили находки природных минералов с ярко выраженными различными гранными формами По представлению древнегреческих философов формы с одинаковыми гранями, одинаковыми вершинами и одинаковыми ребрами символизировали основные элементы природы : огонь изображали тетраэдром (четырехгранник), воздух – октаэдром (восемь граней), воду – икосаэдром (двадцать граней) и землю – кубом (шестигранник). Часто многогранники имели не одинаковые грани, они были составлены из граней нескольких форм. Названия форм крсталлов сохранились и используются до сих пор. .С изучением многогранников связано также нахождение законов симметрии. Слово "симметрия " в точном переводе с греческого означает "соразмерность". В одной из ниш здания знаменитой картинной галереи "Прадо" в Мадриде стоит мраморная статуя, изображающая красивую женщину. Надпись на цоколе свидетельствует о том, что это статуя богини симметрии. Существование такой статуи служит доказательством того, что понятие о симметрии появилось в очень давние времена, задолго до того, как симметрия стала предметом науки – кристаллографии. Слово симметрия, по-видимому, ранее отождествлялось со словом "красота". "Обожествление" симметрии ясно указывает на то, что в древности, как и сейчас, она играла большую роль в искусстве. Как правило, никому не известны имена ученых, которые ввели новые понятия или термины. К таким понятиям в частности, относится и понятие об элементах симметрии, без которого невозможно представить себе науку кристаллографию а именно, о плоскостях симметрии, осях и центре симметрии. Относительно простейшего и важнейшего элемента симметрии – плоскости симметрии можно сказать определенно, что представление о ней сложилось у человека с незапамятных времен, поскольку обнаружить ее можно было непосредственно в фигурах зверей, птиц, насекомых, самого человека и великого множества самых обычных предметаов. Труднее было прийти к представлению об оси симметрии как о такой прямой, при вращении вокруг которой фигура совмещается с собой несколько раз, пока не окажется в исходном положении. Принято было называть ось симметрии осью н-го порядка, если фигура, обладающая этой осью, совмещается с собой при полном повороте вокруг оси н-раз. Порядок осей у кристаллов невелик – 1, 2, 3, 4, 6. Центром симметрии называется такая точка, по обе стороны от которой в любом направлени находятся одинаковые точки, грани и ребра фигуры.

 

Тайна природы кристаллов

 

Трудно представить себе человека, не встечавшегося с кристаллами в повседневной жизни. Они существуют в природе, в быту и даже в человеческом организме. Всем известны кристаллы воды - лёд, снег, снежинки, часто встречаемся с процессом засахаривания варенья, меда (кристаллы сахарозы), с появлением кристаллов винной кислоты, с образованием кристаллов в печени или почках человека. А драгоценные камни: алмаз, тораз, изумруд, рубин и т.д. Сколько создано легенд и детективных историй о знаменитых драгоценностях, таким кристаллам приписывали мистические свойства. Красота, цвет и симметрия кристаллов (в том числе и специально обработанных) с давних времен использовались в качестве украшений, амулетов. Минералоги рассматривали кристаллы как вечные, застывшие и неизменные творения природы, которые следует хранить в музеях, и которые резко отличаются от живой природы- растений , животных.Лишь в ХV11 – ХV111 веках появились первые научные взгляды на природу крсталлов. Было предположено, что кристалл построен из мельчайших "кирпичиков". Рассматривая внимательно разбитый кристалл можно было обнаружить, что отколовшиеся кусочки имеют правильную форму, подобную форме большого кристалла (их "родителя"). Хотелось предположить, что форма сохраняется даже у крпичиков, невидимых глазом. Тайна такого невидимого мельчайшего "кирпичика " была открыта при исследовании явления дифракции рентгеновских лучей только в начале ХХ века (М.Лауэ, 1912г.). Метод дал возможность измерять расстояния между материальными частицами, составляющими упорядоченную пространственную решетку. Открытие дифракции рентгеновских лучей (называемых также Х - лучи) произвело полный переворот в кристаллографии. Появилась новая область кристаллохимии - рентгеноструктурный анализ, давший возможность изучать структуру кристаллов на уровне атомов. Для таких исследований требовались монокристаллы т.е. кристаллы, состоящие из одного индивидуума, хотя и небольшого размера. Пионерами в исследование атомной структуры кристаллов были отец и сын Брэгги, определившие структуру поваренной соли, алмаза и некоторых других минералов. Возникла необходимость в новых объектах - монокристаллах, невстречавшихся в природе.

Дальнейшее развитие кристаллографии пошло по трем руслам:

1. Изучение атомного строения кристаллов.

2. Исследование процессов зарождения и роста кристаллов, нахождение методов их выращивания.

3. Изучение новых физических свойств кристаллов, привязанных к их атомной структуре, и использование искусственно полученных кристаллов с заданными свойствами в различных отраслях науки и техники.

 

Искусственные кристаллы

 

Итак, искусственные кристаллы. Их также называют синтетическими, чтобы подчеркнуть, что такие кристаллы, в отличие от природных минералов, получены в лабораторных условиях.Трудно сказать, когда было обнаружено; что кристаллы могут зарождаться и расти при испарении водных растворов сахара, гипосульфита или поваренной соли. Во всяком случае, такие факты были хорошо известны еще до возникновения научной химии, минералогии и кристаллографии. Интересно, что до начала ХХ века химики уже научиись очищать различные вещества с помощью многократной перекристаллизации, а кристаллогафы умели получать из растворов мелкие хорошо образованные кристаллы для исследования их оптических и других свойств.Казалось бы , неподвижная, как бы застывшая, геометрически правильная внешняя форма кристаллов проиворечит понятию о жизни, как о чем-то неустойчивом, непрерывно меняющем свой облик. Однако, исследования в области кристаллизации показали, что всякий кристалл, как и все существующее в природе, претерпевают со временем ряд изменений, составляющих то, что условно называют его "жизнью".

Кристаллы зарождаются, растут, питаются, разрушаются, подвергаются регенерации, старению, усталости, срастаются между собой и даже пожирают друг друга. Все эти термины, взятые из биологии, исторически отражают несогласие натуролистов Х!Х столетия с теми их предшественниками, которые рассматривали кристаллы как вечные и неизменные творения природы.Однако, не только классики-естествоиспытатели, но и ученые более поздних поколений ограничивались, как правило, наблюдательными опытами и общими суждениями. Описательная стадия стала отступать лишь к 20-30-м гг. ХХ века.

О том же говорит и статистика: до 1970 года число публикаций по росту кристаллов росло экспоненциально. Экстраполируя экспоненту назад ко времени, когда число публикаций было равно одной в год, мы придем примерно к 1915 г. Сейчас ежегодно выходит несколько тысяч публикаций. В них исследуются процессы зарождения кристаллов, структуры их поверхностей, процессы роста из газа, раствора, расплава, при химичеких реакциях и электролизе, образование дефектов в растущих кристаллах. Эти научные исследования очень нужны практике – промышленность выпускает тысячи тонн кристаллов для электроники, вычислительной техники, оптикии, акустики. Развитие кристаллографии и ее двух ветвей -кристаллофизики – исследование физических свойств кристаллов, и кристаллохимии- исследования структуры кристаллов теперь в большей степени зависит от наличия новых синтетических кристаллов.

Получить небольшой кристалл неконтролируемого качества – не слишком сложная проблема. А вот добиться заданых свойств в очень большом или даже в маленьком кристалле очень трудно, и этот процесс иногда занимает десятилетия.

 

Как же получают (выращивают) кристаллы

 

Размеры монокристаллических образований, с которыми имеют дело ученые и производственники, занимают шкалу от нанометров (10-9м ) до 1 метра длиной и 0,5 метра радиусом, Ниже будут приведены методы выращивания массивных, видимых невооруженным глазом кристаллов. Для получения монокристаллов малой толщины (пленок) или нанометровых образований (фулерены, нанотрубки) используют другие методы.Выращивание кристаллов – это сложный физико- химический процесс, течение которого зависит от многих самых разнообразных факторов, и в котором четко прослеживается атомная природа вещества. Процессы кристаллизации представляют собой фазовые превращения, которые соответствуют переходу атомов из вещества с полностью или частично неупорядоченной кофигурацией (пар, жидкость, аморфное состояние) в вещество с упорядоченной конфигурацией кристаллической решетки. Количество методов выращивания монокристаллов ограничено числом возможных таких переходов в кристаллическое состояние.

 

Рост из газовой фазы

 

Кристаллизация многих практически важных веществ при физической конденсации из паров, состоящих из атомов или молекул элементов, образующих кристалл, трудна ввиду малых скоростей роста и низкого давления паров нужных компонентов. Рост из газовой фазы с участием химических реакций, когда газ состоит из различных химических соединений атомов, образующих кристалл, нашел большее применение, особенно при получении пленок, нитевидных кристаллов, нанокристаллов.

 

Рост из растворов

 

Выращивание кристаллов из растворов считают наиболее универсальным методом. Кристаллизуемое вещество находится в чистом растворителе или в растворителе, содержащим добавки. Из-за небольшой скорости роста кристаллы в растворах обычно растут ограненными, т.е. покрываются атомно гладкими поверхностями.Растворители и условия выращивания кристаллов (состав, температура, давление) подбираются на основе физико-химических данных кристаллизуемого вещества. Растворителями могут служить как соединения, не входящие в состав кристалла, так и соединения из компонентов выращиваемого кристалла. Чаще всего в качестве растворителя испольуют воду, в которой растворяются многие неорганические вещества .Органические вещества, которые не растворяются в воде, кристаллизуют из органических растворов. Особые случаи роста кристаллов из растворов связаны либо с приложением давления в замкнутом объеме (специальные аппараты – автоклавы), либо с высокой температурой, когда в качестве растворителя используют расплавленные вещества. Первые называют гидротермальные растворы, вторые – высокотемпературные растворы (растворы в расплаве).

Израиль, Реховот, июнь, 2009 г.   

Copyright © доктор В. Ляховицкая   


 

Страница 1 из 1
ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц   
copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.