Как вырастить искусственный кристалл. Как создают искусственные кристаллы. Выращивание кристаллов - расчеты доходности

Искусственные кристаллы

С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 века такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно!

Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились 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, и лабораторные кристаллы образуются, так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров.

Применение искусственных кристаллов

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. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. 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. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные.

Есть у них ещё совсем невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.

Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. Новая жизнь рубина - это лазер, чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч - громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин и гранат. В глазной хирургии применяется чаще всего лазеры на рубине.

Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон -- все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды.

Также кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.Существуют и кристаллические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Электрооптическая промышленность - это промышленность кристаллов. Она очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных фонарей сделать из поляроида, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".

Искусственные камни давно завоевали популярность в ювелирных изделиях. Ведь для ювелира ценность камня определяется не только его дефицитом в природе. Важную роль играет целый ряд других характеристик:

• цвет;
• светопреломление;
• прочность;
• вес в каратах;
• размер и форма граней и др.

Самый дорогой искусственный драгоценный камень Фианит (синонимы: даймонсквай, джевалит, кубик циркония, шелби). Его цена невелика – менее 10$ за 1 карат (это 0,2 грамма). Но стоит отметить, что с увеличением каратов цена растет экспоненциально. Например, алмаз в 10 карат стоит в 100 раз дороже алмаза 1 карат.

Искусственные кристаллы ювелирных камней можно вырастить в домашних условиях. Большинство подобных экспериментов не нуждаются в специальной подготовке, вам не понадобится обустраивать химическую лабораторию и даже приобретать специальные реактивы.

Для приобретения опыта выращивания кристаллов начинайте с малого. Мы поделимся техникой выращивания красивых кристаллов из всего, что вы можете найти фактически на собственной кухне. Вам вообще не понадобится дополнительный инвентарь, ведь все необходимое точно стоит на полках. Так же рассмотрим технологию выращивания искусственных рубинов в домашних условиях!

Как вырастить кристаллы рубинов синтетически?

Выращивание кристаллов рубина может даже стать вариантом домашнего бизнеса. Ведь красивые синтетические камни уже сегодня пользуются большим спросом среди покупателей, поэтому в случае успешной реализации проекта могут принести вам неплохую прибыль. Синтетически выращенные камни используются ювелирами, а также имеют широкое применение в технике.

Кристаллы рубина можно выращивать по стандартной методике, подобрав правильные соли. Но это будет не столь эффективно, как в случае с солью или сахаром, при этом намного дольше по длительности является процесс роста. Да и качество будет сомнительное. Ведь натуральный рубин по шкале твердости Моосу уступает только Алмазу занимая почетное 9-е место. Естественно, если речь идет о бизнесе, в большинстве случаев используют другой способ, разработанный более 100 лет назад во Франции.

Вам потребуется специальный аппарат, имеющий название по имени изобретателя данного способа, т. е. аппарат Вернейля. С его помощью можно выращивать кристаллы рубина, размером до 20-30 карат всего за несколько часов.

Хотя технология остается примерно такой же. Соль двуокиси алюминия с примесью оксида хрома помещают в накопитель кислородно-водородной горелки. Расплавляем смесь, наблюдая, как фактически "на глазах" вырастает рубин.

В зависимости от состава выбранной вами соли вы можете регулировать цвет кристаллов, получая искусственные изумруды, топазы и абсолютно прозрачные камни.

Работа с аппаратом потребует от вас внимания и некоторого опыта, но зато в дальнейшем вы получите возможность выращивать кристаллы, которые завораживают своей красотой, прозрачностью и игрой цвета. В дальнейшем такие шедевры хорошо подаются огранке и шлифовке, соответственно, могут применяться по назначению.

Стоит отметить, что искусственно выращенные кристаллы не являются драгоценными камнями, поэтому, даже если вы решите заняться предпринимательской деятельностью по их выращиванию, это не потребует от вас дополнительного лицензирования.

Конструкция аппарата несложна, ее легко можно сделать самостоятельно. Но на просторах Интернета уже достаточно умельцев, предлагающих чертежи оригинальной установки, а также ее усовершенствованные варианты.

Набор для выращивания кристаллов рубина в домашних условиях

Сам принцип технологии производства рубинов достаточно прост и схематически изображен ниже на рисунке:

Понимая принцип действия, любое устройство уже не кажется таким сложным. Один из образцов чертежей аппарата Вернейля:

По данной технологии можно так же выращивать и другие дорогие искусственные камни, такие как «Голубой Топаз» и т.п.

Выращивание кристаллов из соли в домашних условиях

Самый простой и доступный эксперимент, который вы можете провести – создать красивые солевые кристаллы. Для этого вам понадобится несколько предметов:

1. Обычная каменная соль.
2. Вода. Важно, чтобы сама вода содержала как можно меньше собственных солей, а лучше дистиллированная.
3. Емкость, в которой будет проводиться опыт (сгодится любая банка, стакан, кастрюля).

Наливаем в емкость теплую воду (ее температура составляет около 50°С). Добавляем в воду кухонную соль и размешиваем. После растворения добавляем снова. Повторяем процедуру до тех пор, пока соль не перестанет растворяться, оседая на дно сосуда. Это говорит о том, что солевой раствор стал насыщенным, что нам и было нужно. Важно, чтобы во время приготовления раствора его температура оставалась постоянной, не остывала, так мы сможем создать более насыщенный раствор.

Насыщенный раствор переливаем в чистую банку, отделяя от осадка. Выбираем отдельный кристалл соли, а потом помещаем его в емкость (можно подвесить на нитке). Эксперимент выполнен. Через несколько дней вы сможете увидеть, как увеличился в размерах ваш кристалл.

Выращивание кристаллов из сахара в домашних условиях

Технология получения сахарных кристалликов аналогична предыдущему способу. Можно опустить ватный жгут в раствор, тогда сахарные кристаллы будут нарастать на нем. Если процесс роста кристаллов стал медленнее, значит уменьшилась концентрация сахара в растворе. Добавьте в него снова сахарного песка, тогда процесс возобновится.

На заметку: если добавить в раствор пищевого красителя, то и кристаллы станут разноцветными.

Можно выращивать сахарные кристаллики на палочках. Для этого вам потребуется:

• уже готовый сахарный сироп, приготовленный аналогично солевому насыщенному раствору;
• деревянные палочки;
• немного сахарного песка;
• пищевые красители (если хотите разноцветных леденцов).

Все происходит очень просто. Деревянную палочку обмакиваете в сиропе и обваливаете в сахарном песке. Чем больше крупинок прилипнет, тем красивее получится результат. Дайте палочкам, как следует высохнуть, а затем переходите попросту ко второй фазе.

Насыщенный горячий сахарный сироп выливаем в стакан, туда же помещаем заготовленную палочку. Если вы готовите разноцветные кристаллы, то в горячий готовый сироп добавьте пищевой краситель.

Следите, чтобы палочка не касалась стенок и дна, иначе результат будет некрасивым. Можно зафиксировать палочку с помощью листа бумаги, надев его сверху. Бумага послужит еще и крышкой для емкости, которая не позволит никаким посторонним частицам попасть в ваш раствор.

Примерно через неделю вы получите прекрасные сахарные леденцы на палочках. Ими можно украсить любое чаепитие, приведя в полный восторг не только детей, но и взрослых!

Выращивание кристаллов из медного купороса в домашних условиях

Кристаллы из медного купороса получаются интересной формы, при этом имеют насыщенный синий цвет. Стоит помнить, что медный купорос является химически активным соединением, поэтому кристаллы из него не следует пробовать на вкус, а при работе с материалом нужно проявлять осторожность. По этой же причине в данном случае подойдет только дистиллированная вода. Важно, чтобы она была химически нейтральной. Будьте внимательны и осторожны при обращении с медным купоросом.

При этом выращивание кристаллов из купороса происходит фактически по той же схеме, что и предыдущие случаи.

Помещая основной кристалл для выращивания в раствор, нужно проследить, чтобы он не соприкасался со стенками посуды. И не забывайте следить за насыщенностью раствора.

Если вы поместили свой кристалл на дне посудины, то стоит смотреть, чтобы он не касался других кристалликов. В этом случае произойдет их срастание, а вместо одного красивого крупного образца у вас получится масса невнятной формы.

Полезный совет! Вы можете самостоятельно регулировать размер граней своего кристалла. Если вы хотите, чтобы некоторые из них росли медленнее, их можно смазать вазелином или жиром. А для сохранности небесно-синего красавца можно обработать грани прозрачным лаком.

Существует 3 весовые категории бриллиантов:

1. Мелкий. Масса 0,29 карата
2. Средний. Масса от 0,3 до 0,99 карата
3. Крупный. Бриллианты весом более 1 карата.

К популярным аукционам допускают камни массой от 6 карат. Камням с массой более 25 карат присваивают собственные имена. Например: «Винстон» бриллиант (62,05 карат) или «Де Бирс» (234,5 карат) и др.

Перспективным бизнесом, который требует небольшого первоначального капитала и может приносить стабильный доход, является выращивание кристаллов искусственного происхождения для ювелирных изделий. Они широко применяются в современной бижутерии, организации праздников и имеют значительные преимущества перед природными камнями. Они обладают прочностью, привлекательным внешним видом, меньшей стоимостью. Как же можно заняться выращиванием кристалла и насколько это выгодно?

Согласно российскому законодательству для этого бизнеса не нужны разрешительные документы и лицензии. Их производство является минимально затратным. Популярность этих изделий постоянно возрастает, так как они доступны по цене массовым покупателям, в отличие от натуральных камней.

Такие кристаллы идеально подходят для декоративных целей: создания новогодних елочных игрушек, снежинок, украшения вместо дождика. Ими можно украшать праздничные костюмы. Есть реальная возможность задавать форму будущего изделия из кристалла.

Выращивание кристаллов - расчеты доходности

Около 21 руб. будет стоить необходимое исходное сырье для создания кристалла, похожего на рубин: окись алюминия – 7 г, оксид хрома – 0,3 г. Для нагревания воды будет затрачено 3 кВт/ч в течение 1,5 часа. Это стоит около 5 руб. Всего затраты на производство одного кристалла составляют 26 руб. В итоге вы можете получить высокорентабельное производство кристаллов, реализуя эти искусственные самоцветы значительно дороже их себестоимости.

Выращивание кристаллов в домашних условиях, требует много терпения и большие временные затраты. Но это все окупится достойными доходами.

Как вырастить красивый искусственный кристалл

Исходным сырьем для готового продукта является обычная поваренная соль, медный купорос, бура и другие вещества.

Технология изготовления такого самоцвета очень проста

1. Необходимо создать в стеклянной банке очень насыщенный раствор соли, чтобы кристаллы вещества перестали растворяться.

2. Чуть-чуть подогреть, пока соль не растворится полностью, поставив банку с раствором соли в емкость с теплой водой.

3. Раствор перелить в другую банку. Поперек ее горлышка положить перемычку, прикрепив к ней на нитке готовый небольшой кристалл соли. На нем через три дня вырастет новый искусственный кристалл.

4. Чтобы получить нужную форму кристалла, на карандаше нужно привязать и опустить в раствор заготовку в виде снежинки или другого изделия. Форма должна висеть свободно, не касаясь дна.

5. Этот сосуд нельзя сотрясать, поворачивать, поднимать. Он должен находиться в теплом месте.

6. Когда кристалл достигнет нужного размера, его следует достать, осторожно высушить, используя бумажную салфетку либо мягкую тряпку.

7. Затем нитка обрезается, а кристаллы покрываются бесцветным лаком.

Чтобы кристаллы получались более высокого качества, похожие на настоящие, нужно использовать затравку, которую помещают в раствор (алюминиевые либо хромокалиевые квасцы).

Выращивание кристаллов - нюансы

Искусственные камни могут быть различного цвета

1. Из поваренной соли, сахара получится бесцветный кристалл.

2. Лучше всего для получения кристаллов использовать медный купорос, чтобы получить кристаллы ярко-голубого цвета, похожие на бирюзу. Это дешевое вещество легко приобрести в любом магазине для огородников и садоводов. Он применяется для борьбы с вредителями растений, и стоит очень дешево.

3. При использовании хромокалиевых квасцов получаются удивительные фиолетовые кристаллы, подобные аметисту.

Чтобы создать искусственный самоцвет, которым могут заинтересоваться профессиональные ювелиры, следует приобрести необходимое оборудование. Таким способом можно производить искусственные самоцветы до 400 карат.

Если творчески подойти к делу, выращивание кристаллов может стать интересным делом, за которое вы получите немалый доход.

Вырастить настоящий кристалл – довольно просто, интересно и познавательно. В этой статье говорится о том, как это сделать в домашних условиях.

Кристаллы образуются из любых веществ, чьи атомы и молекулы группируются в упорядоченную структуру. Для их выращивания не нужна лаборатория или специальные приспособления. Подойдут самые простые реактивы, которые всегда под рукой.

Выращивание кристалла - один из самых легких и безопасных химических экспериментов, доступных в домашних условиях. Провести его сможет даже ребенок младшего школьного возраста под присмотром взрослых.

Наградой за усилия станет предмет необычайной красоты, который вы создадите собственными руками.

Виды кристаллов

1. Монокристалл – это цельный большой кристалл, например, искусственный камень. Он образуется при условии, что процессы кристаллизации проходят предельно медленно.
2. Поликристалл формируется тогда, когда кристаллизация протекает быстро. В таком случае образуется много крошечных кристалликов. Так себя ведут металлы.

Способы выращивания кристаллов дома

Один из самых простых путей выращивания кристалла – охлаждение насыщенного раствора. Какие при этом происходят процессы?

1. В теплой воде вещество, выбранное для опыта (например, соль), растворяется полностью.
2. Температуру раствора понижают: это снижает растворимость соли. Образуется нерастворенная соль, которая выпадает в осадок.
3. Образование осадка начинается с формирования мелких крупинок и в самом растворе, и на поверхности емкости, в которую он помещен.
4. Если в растворе нет посторонних включений (обыкновенных пылинок, ворсинок и т.п.), а остывание происходит постепенно, эти крупинки-кристаллики срастаются в более крупные и правильные по форме кристаллы.
5. Быстрое охлаждение вызывает образование сразу множества крошечных кристаллов неправильной формы, которые не соединяются между собой и сдерживают рост друг друга.

Кристалл также вырастет, если из насыщенного раствора будет постепенно удаляться растворитель (вода). Как это сделать и что будет происходить в сосуде?

1. Посуду с насыщенным раствором нужно достаточно долго выдерживать при постоянной температуре.
2. Следует исключить попадание сора и пыли, а также замедлить испарение воды (для этого достаточно накрыть емкость бумагой).
3. Вырастить кристалл можно на каком-либо подвесе посередине емкости (тогда он приобретет правильную форму), либо на дне емкости.
4. Если кристалл будет расти на дне, его нужно периодически поворачивать, чтобы добиться симметрии.
5. На место испарившейся воды следует добавлять раствор такой же консистенции, что был в начале эксперимента.

Основной принцип в данном случае остается прежним: чем медленнее идут процессы, влияющие на кристаллизацию, тем красивее, крупнее и правильнее получатся кристаллы. Если первоначальный кристалл, выступавший как основа для выращивания, имел неправильную форму, он дополнит недостающие части в ходе роста и примет конфигурацию, типичную для природы его вещества. Так медный купорос в итоге вырастет в ромб, а соли хромокалиевых квасцов образуют октаэдр.

Считается, что дома из подручных средств может вырасти только небольшой кристаллик. Это не так: при должном внимании есть все шансы вырастить дома кристалл любого размера и веса. Фактически для этого достаточно продолжать процедуру кристаллизации, пока не будет достигнут желаемый результат. Конечно, необходимо сразу подобрать подходящую по размеру емкость.

Сохранность кристаллов

Несоблюдение условий хранения может привести к разрушению кристалла. Необходимо ознакомиться с характеристиками выбранного вещества заранее, чтобы избежать разочарования в конце такого долгого и кропотливого труда.

Так, точеные грани кристалла квасцов под действием обычного сухого воздуха потускнеют из-за потери влаги и рассыплются, образовав серый порошок. То же произойдет с сульфатом и тиосульфатом натрия, солями марганца, цинка, никеля, сегнетовой солью. Единственный выход – поместить кристаллы в закупоренные прозрачные сосуды. Некоторые рекомендуют покрывать кристаллы прозрачным лаком, но это только оттягивает срок гибели. А еще - лакированные грани теряют свой первоначальный блеск и выглядят искусственно.

От высокой температуры разрушаются кристаллы, выращенные из медного купороса и алюмокалиевых квасцов. Срок жизни таких кристаллов может продлить хранение в бытовом холодильнике. Однако и тут они продержатся порядка 2-х лет.

Еще одна проблема кристаллов водорастворимых веществ – они разрушаются от перепадов температурного режима из-за влаги, которая в небольшом количестве сохраняется внутри них. По этой причине появляются пятнышки, сколы, происходит оплывание граней, потеря блеска.

Пожалуй, самое устойчивое из популярных для выращивания кристаллов веществ – поваренная соль.

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:

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» ...

1. Конкурс

   Районный конкурс учебно -исследовательских проектов кристаллы их применения . Однако отмечен...

2. Учебно-исследовательских проектов школьников «эврика» секция « химия»

   Конкурс

   Районный 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...

3. Программа

   ... учебно -исследовательских проектов исследовательских проектов и их публикация. Учебно -исследовательские проекты ... есть кристаллов . Кристаллы – ... и возможностях их применения в защите документов...

4. 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...

Наряду с природными камнями и стеклянными стразами для украшения часов часто используют искусственно выращенные кристаллы. Что это: дешевая подделка или камни, обладающие самостоятельной ценностью?

Бытующее в народе представление о синтетических драгоценных камнях на сегодняшний день мало соответствует действительности. При употреблении этого словосочетания большинство людей представляют себе маленькие безделушки из стекла, цена на которые невелика, а ценность - еще меньше. Конечно, в большинстве случаев искусственные камни действительно дешевле природных. Однако разница в цене зачастую не так велика, в то время как по оптическим и декоративным характеристикам синтезированные человеком камни почти неотличимы от натуральных, а иногда даже превосходят их.

Люди научились искусственно получать очень многие минералы, в том числе когда-то относившиеся к драгоценным камням. Например, дорогой природный рубин в подшипниках часовых механизмов и других точных приборов уже давно заменен на рубин искусственный. Дело не только в цене: промышленное производство нуждается в больших объемах камней с четко определенными параметрами, чего природа дать просто не в состоянии. Именно по этой причине для изготовления резонаторов, являющихся сердцем всех без исключения кварцевых калибров, используются исключительно искусственные камни. Но подшипники и резонаторы скрыты от взгляда покупателя, да и продавец обычно не имеет возможности заглянуть настолько глубоко внутрь часов. Гораздо чаще мы обращаем внимание на их внешний облик, и задаемся вопросами о том, чем именно декорирована та или иная модель. Тем более, что наряду с природными камнями и стеклянными стразами, о которых мы говорили в прошлом номере, все бльшее распространение получают искусственные камни.

Самоорганизующаяся материя

Кристаллы - вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) «упакованы» в жестком, строго определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают интересные геометрические формы. Если вы бывали в музее минералогии, наверняка восхищались изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» вещества.

В природе кристаллы могут быть самыми разнообразными как по форме и размеру, так и по цвету. В естественной среде они растут очень медленно, и их внешний облик определяется тем, насколько равномерно и спокойно происходил рост. Разумеется, в мире кристаллов есть и те, что формируются быстро - например, кристаллы соли или льда, но ценности для ювелирного и часового дела они не представляют. Кристаллы начинают образовываться тогда, когда вещество переходит из газообразного или жидкого состояния в твердое. Например, иней, появляющийся на проводах - это кристаллы льда, сформировавшиеся на поверхности металла при охлаждении воздуха.

Схожие процессы происходят и при образовании более долговечных кристаллов: главное условие - равномерное поступление «сырья» для строительства кристаллической решетки. Зарождаясь на глубине в десятки километров, огненно-жидкие расплавы сложного состава проплавляют себе путь в земной коре и, прорываясь ближе к поверхности, постепенно отвердевают, не в силах нагреть все вокруг себя. Именно постепенное охлаждение магмы и ее постоянное добавление создает удивительную возможность для роста самых разнообразных кристаллов.

Химия процесса очень сложна и нельзя сказать, что изучена до конца. Наглядно представить его суть помогает паркетный пол, состоящий из множества плиток. Легче всего работать с плитками квадратной формы - как ее ни поверни, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие из атомов (металлы, благородные газы) или небольших симметричных молекул. Гораздо сложнее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы - тогда каждую из них можно уложить на место одним единственным способом. Особенно трудно собрать паркетный узор из досок сложной формы.

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только здесь частички должны собраться не в плоскости, а в объеме. Но ведь никакого «паркетчика» здесь нет - кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они находят его сами, потому что непрерывно совершают тепловые движения и «ищут» подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно». В данном случае «удобство» подразумевает энергетически наиболее выгодное положение. Попав на такое место на поверхности растущего кристалла, частица вещества может там остаться, и тогда через некоторое время она окажется уже внутри кристалла, под новыми наросшими слоями вещества. Но возможно и другое: частица вновь уйдет с поверхности в раствор и снова начнет «искать», где ей удобнее устроиться.

Таблица 1. Ориентировочная стоимость фианитов различной огранки при крупных оптовых закупках

Каждое кристаллическое вещество имеет определенную свойственную ему внешнюю форму кристалла. Например, для хлорида натрия эта форма - куб, для алюмокалиевых квасцов - октаэдр. И даже если сначала такой кристалл имел неправильную форму, рано или поздно он все равно превратится в куб или октаэдр. Более того, если кристалл с правильной формой специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при дальнейшем росте он начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. На этом свойстве основан интересный опыт: если из кристалла поваренной соли выточить шар, а потом поместить его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам превратится в куб.

Особое место среди кристаллов занимают драгоценные камни, которые с древнейших времен привлекают внимание человека: алмазы, рубины, опалы, топазы, аметисты, изумруды и многие другие. Натуральные кристаллы высокого качества встречаются крайне редко, а потому весьма дороги и чаще всего используются в высококлассных ювелирных изделиях или специальных технических приборах. Например, лазерная техника немыслима без натуральных рубинов, а добыча руды без алмазной крошки, нанесенной на резцы гигантских буров. Во многих более простых случаях оказывается выгоднее использовать не природные, а искусственные кристаллы. Из синтетических камней сделана наждачная бумага и все полупроводниковые элементы, которые являются основой окружающей нас электронной техники. Отдельные кристаллы получили применение в ювелирной и часовой промышленности как более доступная, но эффектная замена натуральных камней.

Каменное богатство

Искусственным путем получают как аналоги натуральных кристаллов, так и те, которых в природе вообще не существует. Большинство синтетических камней повторяют химический и структурный состав своих природных аналогов. Так, одним из популярных синтетических минералов, применяемых ювелирами и часовщиками, является корунд, впервые полученный французским ученым Е. Фреми в 1877 году. В 1902 году его ученик Огюст Вернейль опубликовал результаты исследования собственного способа синтеза монокристаллов из окиси алюминия. Метод Вернейля состоит в следующем: порошок окиси алюминия засыпают в печь при температуре 2150°С, при плавлении алюминий превращается в капли, оседающие и нарастающие на подкладке из огнеупорного материала. Сейчас метод Вернейля активно применяется для изготовления искусственных александрита, аметиста, рубина, сапфира, топаза, аквамарина и других минералов.

Смешивание окисей алюминия и магния с дальнейшим применением процесса Вернейля дает жизнь синтетической шпинели, которая также используется в ювелирном и часовом деле. Для производства шпинели также применяется метод Чохральского, суть которого лучше всего описывает история его открытия. В 1916 году польский химик Ян Чохральский случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом, и когда доставал ее, обнаружил тянущуюся металлическую нить с монокристаллической структурой. Аналогичным образом сейчас в тигель погружают затравку из материала будущего кристалла и начинают очень медленно ее поднимать, в это время на ней наращивается необходимый новый слой.

Рожденные в ФИАНе

Важнейший шаг в индустрии искусственных материалов, имитирующих драгоценные камни, был сделан в нашей стране: в 1972 году учеными Физического института Академии наук СССР был впервые синтезирован кубический кристалл диоксида циркония. Синтетический материал, созданный на основе окислов циркония и гафния, получил имя фианит в честь сокращенного названия института ФИАН. Кристаллы массой 200-400 г образуются в результате постепенного охлаждения расплава, нагретого до 2800°С (метод прямого высокочастотного плавления).

Благодаря сочетанию низкой стоимости и отличных оптических характеристик фианиты произвели мини-революцию: их коэффициент преломления равен 2,15-2,25, а твердость - 7,5-8,5 по Моосу, что предельно близко показателям алмаза. Промышленное производство фианита началось в 1976 году, а уже к 1980-му мировой объем выпуска достиг 50 млн карат в год. Для сравнения, это примерно половина сегодняшней общемировой добычи необработанных природных алмазов.

Советское название «фианит» на мировом рынке превратилось в химическое CZ (кубический диоксид циркония - cubic zirconia). Из-за этого в переводах с других языков фианит часто путают с цирконом или цирконием, что неправильно. Цирконий - это металл, он непрозрачен, и, соответственно, не может быть использован в ювелирных вставках. Циркон - это природный минерал, бесцветный или коричневато-жёлтый, достаточно нежный: его твердость соответствует шести по шкале Мооса, т.е. он легко царапается кварцем. Раньше циркон использовался как имитация бриллианта, но после изобретения фианита уступил ему место, поскольку фианит обладает почти идеальными физическими свойствами, соответствующими самым высоким требованиям ювелирной промышленности.

Помимо прочего, фианит отличается еще и высокой скоростью роста. Так, при искусственном выращивании алмаз прибавляет 1,6-3,2 мм/сут., апатит 6,5 мм/сут., а фианит 8-10 мм/сут. Быстрее него способны расти корунд (0,3- 365 мм/сут.) и кварц (0,06-400 мм/сут.), но они в ювелирной промышленности не используются.

Важнейшей характеристикой лабораторных кристаллов является их цена: синтетические камни примерно в 5-10 раз дешевле природных аналогов. Хотя, конечно, стоимость зависит от каждого конкретного кристалла, его огранки и мастерства ювелира. Так, синтетический рубин стоит в 10 раз меньше, нежели природный минерал, разрыв в ценах искусственного и натурального изумруда не так заметен - всего 2-3 раза. А король камней - алмаз - можно считать исключением в этом ряду: его уникальная структура очень сложна для лабораторного производства, поэтому стоимость синтетических алмазов часто совпадает с ценами на экземпляры натурального камня.

Кстати, стоимость фианита при оптовых закупках может сильно удивить неискушенного читателя. По данным одного крупного поставщика различных декоративных камней.

Исследования искусственных кристаллов постоянно продолжаются. В 1995 году в США появился еще один материал, соперничающий с натуральными бриллиантами - карбид кремния, получивший название муассанит. Новый синтетический кристалл, разработанный учеными из университета Северной Каролины, был выведен на рынок компанией Charles & Colvard, и теперь вовсю старается отвоевать позиции у более привычных искусственных камней и их аналогов природного происхождения. Так что химики остаются серыми кардиналами ювелирной промышленности, создавая новые соединения, способные значительно повлиять на ценообразование, моду и общую ситуацию на рынке.