Искусственные кристаллы и их применение: Основные области применения искусственных кристаллов

Основные области применения искусственных кристаллов

11 НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ КУЗНЕЦКОГО РАЙОНА «ОТКРЫТЫЙ МИР»

СЕКЦИЯ ФИЗИКИ

Основные области применения искусственных кристаллов

 Выполнил ученик 8  класса

Фетисов Николай

Руководитель Сизоченко А.И.,

учитель физики

Муниципальное  общеобразовательное

 учреждение

«Основная общеобразовательная

 школа №24»

г. Новокузнецк, 2014 г

Содержание

     Введение……………………………………………………… 2

             1. Основная часть

1.1. Понятие кристалл…………………………..……..4

1.2. Монокристаллы и поликристаллы……………………4

1.3. Методы выращивания кристаллов…………….…5

1.4. Применение кристаллов…………………..………7

         2. Практическая часть

                       2.1. Выращивание кристаллов в домашних

 условиях…………………………………………9

             3. Заключение…………………………………………….…11

    Библиография..………………………………………………. ..13

    Приложения………………………….……………………..14-15

---

Введение

Словно волшебный скульптор,

Светлые грани кристаллов

Лепит бесцветный раствор.

                                                                            Н.А.Морозов

         Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из кристаллов. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично состоим из кристаллов.

Кристаллы это вещества, в которых мельчайшие частицы “упакованы” в определенном порядке. В результате при росте кристаллов на их поверхности самопроизвольно возникают плоские грани, а сами кристаллы принимают разнообразную геометрическую форму.    

      Высказывание академика А.Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» согласуется с научным интересом ученых всего мира к данному объекту исследования.

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лаборатория — природа — уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти незаметные,   и большие — массой в несколько килограммов.

Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники, для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют — фианит. Фианиты на глаз трудно отличить от алмазов — так красиво они играют на свету.

Так что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали меня, и я постарался найти на них ответы.

Моя работа является исследовательской, так как при её реализации используются знания нескольких учебных предметов: физики, химии, биологии, информатики.  В результате деятельности мною была создана презентация «Кристаллы и их применение», которую можно использовать на уроках физики и химии в качестве наглядного пособия, и выращенные кристаллы из медного купороса и поваренной соли.

Цель:

Определить основные области применения искусственных кристаллов и  проверить опытным путём возможность роста кристаллов поваренной соли и медного купороса без применения специальной техники.

Для достижения поставленной цели передо мной встали следующие

задачи:

• Собрать материал о кристаллах и  их свойствах из литературных и интернет источников.
• Провести опыты по выращиванию кристаллов медного купороса и поваренной соли.
• Систематизировать материал о кристаллах: применение искусственных кристаллов и методы их выращивания.
• Создать презентацию «Кристаллы и их применение» для учебных целей.

1. Основная часть

1. Понятие кристалл

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце XVII в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении и  установлено, что некоторые непрозрачные минералы имеют естественную правильную огранку.  Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

В оружейной палате есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами — самоцветами — аметистами. В церквах аметистами украшали иконы и алтари.

Самые знаменитые кристаллы — алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих камней люди пытались многие века и когда установили, что алмаз — это разновидность углерода никто не поверил.

Решающий опыт провел в 1772 году французский химик Лавуазье. В природе алмазы образуются в недрах земли при очень высоких температурах и давлениях. Создать в лаборатории условия, при которых из графита можно получить алмаз, ученые смогли лишь спустя 200 лет. Сейчас производятся десятки тонн искусственных алмазов. Среди них есть алмазы и для ювелирных целей, однако основная их масса идет на изготовления разнообразных инструментов.

2. Монокристаллы и поликристаллы

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Они обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным.

Поликристаллы,  это сросшиеся друг с другом хаотически ориентированные маленькие кристаллы — кристаллиты.

3. Методы выращивания кристаллов

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 350–450о C и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050о C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.   

Первым монокристаллом, полученным в лаборатории, был 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. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты.

4.  Применение кристаллов.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.  

Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До ХХ в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. 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 природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов показало, что геометрически правильная форма – не главная их особенность.

Полностью согласуется с неугасающим научным интересом учёных всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивший “индикаторную революцию” по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т. д. ), а в 80-х годах ХХ века – фотонный кристалл.

1. Практическая часть

5. Выращивание кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, но достаточно длительный и кропотливый.

Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а некоторые их вовсе не образуют; что надо сделать, чтобы они получились большими и красивыми.

На эти вопросы я постарался найти ответы в своей работе.  

Если кристаллизация идёт очень медленно, получается один большой кристалл (или монокристалл), если быстро – то множество мелких.

 Выращивание кристаллов в домашних условиях я производил  разными способами.

Способ 1. Охлаждение насыщенного  раствора медного купороса. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается, и они  выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей, зародышей образуется много, и постепенно они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром охлаждении возникает много мелких кристалликов, почти никакой из них не имеет правильную форму, ведь их растёт множество,  и они мешают друг другу.

Для того чтобы вырастить кристалл из медного купороса я сделал перенасыщенный раствор:

1. Для этого я взял тёплую воду, растворил в ней купорос и подсыпал его до тех пор, пока он не перестал растворяться.

2. Перелил через фильтр (марлю) в другую чистую ёмкость. Тару обдал кипятком, чтобы не допустить быстрой кристаллизации раствора на грязных стенках.

3. Подготовил затравку.

4. Привязал её к нитке, опустил её в раствор.

Чтобы кристаллик равномерно разрастался со всех сторон, затравку (маленький кристаллик) лучше в подвешенном состоянии держать в растворе. Для этого я сделал перемычку из стеклянной палочки. Кстати, желательно брать нитку гладкую, тоненькую, можно шёлковую, чтобы на ней не образовывались ненужные маленькие кристаллики. Далее свой раствор я поставил в тёплое место. Очень важно медленное остывание (чтобы получить крупный кристалл). Кристаллизацию можно будет увидеть уже через несколько часов. Периодически нужно менять или обновлять насыщенный раствор, а также счищать мелкие кристаллики с нитки. (Приложение 1)

Способ 2 —  постепенное  удаление воды из насыщенного раствора.

  В этом случае,  чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат. Я оставил  открытым сосуд с  раствором поваренной соли (пищевая соль) при комнатной температуре на 14 дней, накрыв его листом бумаги, — вода при этом испарялась  медленно, и пыль в раствор не попадала. Растущий кристаллик подвесил в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке. Кристалл получился большой, но бесформенный – аморфный. (Приложение 1)

Выращивание кристаллов – процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить в домашних условиях таким способом, неограничен. Известны случаи, когда энтузиасты получали кристаллы такой величины, что поднять их могли только с помощью товарищей.

Но, к сожалению, есть некоторые особенности их хранения. Например, если кристаллик квасцов оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить его от разрушения, можно покрыть бесцветным лаком. Медный купорос и поваренная соль – более стойки и с ними смело можно  работать.

В прошлом году в 7 классе на уроке химии при изучении темы «Явления происходящие с веществами» мы выращивали кристаллы,  многим этот опыт не удался. В этом году я подсказал ребятам из 7 класса как правильно справиться с этим задание и вот что у них получилось  (см. Приложение 2).

Заключение

    Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной решётки.

    Наряду с твёрдотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем мы будем пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах.

    Я отобрал наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастил кристаллы соли и медного купороса. По мере роста кристаллов проводил наблюдения, фиксировал изменения.

    Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же «кристальной души человек» о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз.  И, если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Но если говорить совсем серьезно, сейчас, пожалуй, нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Медиков интересуют среды, в которых происходит кристаллообразование почечных камней, а фармацевтов таблетки – это спрессованные кристаллы. Усвоение, растворение таблеток зависит от того, какими гранями покрыты эти микрокристаллики. Витамины, миелиновая оболочка нервов, белки, и вирусы – это все кристаллы.

    Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру. Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. Выращивание кристаллов стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они выросли и условия их роста. И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства. Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных?  Например, искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по  блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды, температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. И это уже целое искусство, творчество, мастерство – тут точные науки не помогут.

Тема “Кристаллы” актуальна, и если в неё вникать и вникать глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы, а самое главное – безграничное применение кристаллов. Кристаллы загадочны по своей сущности и настолько неординарны, что в моей работе я рассказал лишь малую часть того, что известно о кристаллах и их применении в настоящее время. Может быть, что кристаллическое состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам!

На основании проведенного исследования я пришел к следующим  выводам:        

• Искусственно выращенные кристаллы применяются в самых различных областях: медицине, радиотехнике, в машино-самолето строении, в оптике и во многих других.
• Срок получения искусственных кристаллов значительно меньший, чем процесс их естественного образования. Что делает их более доступными в использовании.
• В домашних условиях можно вырастить кристаллы даже за небольшой срок.

---

Библиография

1. Химия. Вводный курс. 7 класс: учеб. Пособие / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, А.К. Ахлебинин. – 6-е изд., М.: Дрофа, 2011.
2. Химия. 7 класс: рабочая тетрадь к учебному пособию О.С. Габриеляна и др. «Химия. Вводный курс. 7 класс»/ О.С. Габриелян, Г. А. Шипарева. – 3-е изд., — М.:  Дрофа, 2011.
3. Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех, Книга 2. Молекулы.- М.,1978.
4. Энциклопедический словарь юного химика. / Сост. В.А. Крицман, В.В.Станцо.-М., 1982.
5. Энциклопедия для детей. Том 4. Геология. / Сост. С.Т. Исмаилова.-М.,1995.
6. Интернет-ресурсы:

http://www.krugosvet.ru – энциклопедия Кругосвет.

http://ru.wikipedia.org/  — энциклопедия Википедия.

   http://www.kristallikov.net/page6.html — как вырастить кристалл.

Приложение 1.

Дневник наблюдений

Дата	Наблюдения		Фото
	Соль	Медный купорос	Соль	Медный купарос
24.01.14.	До опускания затравки в раствор. длина:5мм ширина:5мм	Делаем петельку из проволоки, подвешиваем и опускаем в раствор.
27.01.14.	длина:11мм ширина:7мм	длина:12мм ширина:10мм
30.01.14.	длина:20мм ширина:10мм	длина:18мм ширина:13мм
3.02.14.	Образование кристалла вышло за границу раствора	длина:25мм ширина:15мм
6. 02.14.	Кристалл получился большой, но бесформенный	длина:30мм ширина:20мм

Приложение 2

  Кристаллы, выращенные семиклассниками

Искусственные кристаллы и их использование в современной технике

С давних времен человечество использует кристаллы. Изначально это были природные кристаллы, которые использовались в качестве орудия труда и средства для лечения и медитации. Позже редкие камни и драгоценные металлы начали выступать в роли денежных средств. Фундаментальные научные исследования и открытия XX столетия позволили разработать методы получения искусственных кристаллов и существенно расширить области их применения.

Монокристалл — это однородный кристалл, который имеет непрерывную кристаллическую решетку и анизотропию свойств. Внешняя форма монокристалла зависит от атомно-кристаллического строения и условий кристаллизации. Примерами монокристаллов могут послужить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.

Если скорость выращивания кристалла будет высокой, то будут образовываться поликристаллы, которые имеют большое количество монокристаллов. Монокристаллы высокочистых веществ имеют одинаковые свойства независимо от метода получения.

На сегодняшний день насчитывают около 150 способов получения монокристаллов: паровая фаза, жидкая фаза (растворов и расплавов) и твердая фаза. 

На кафедре высокотемпературных материалов и порошковой металлургии последним методом выращиваю монокристаллы гексаборид лантана и различных эвтектических сплавов на его основе. С монокристаллов этих соединений изготавливают катоды, используемых в эмиссионной технике.

Благодаря развитию электротехники и электроники, использование монокристаллов увеличивается из года в год. Детали, выполненные из высокочистых монокристаллических материалов можно увидеть во всех новых моделях электронных приборов, от радиоприемников до больших электронно-расчетных машин.

В технике не хватает набора свойств природных кристаллов, поэтому ученые разработали сложный технологический метод создания кристаллоподобных веществ с промежуточным свойством, путем выращивания сверхтонких слоев (единицы-десятки нанометров) чередующихся кристаллов с подобными кристаллическими решетками — метод эпитаксии. Эти кристаллы получили название фотонных кристаллов.

В фотонных кристаллах есть запрещенные энергетические зоны — это значения энергии фотонов, которые не могут проникать в кристалл и растворяться в нем. Если же энергия кванта света имеет допустимое значение, то он успешно пройдет через кристалл. То есть фотонные кристаллы могут исполнять роль светового фильтра, который пропускает фотоны с определенными значениями энергии и отсеивает все остальные.

Фотонные кристаллы имеют 3 группы, которые определяются количеством пространственных осей, в которых изменяется показатель преломления. По этому критерию кристаллы делят на одно-, двух- и трехмерные.

Известным представителем фотонных кристаллов является опал, имеющий удивительный цветной узор, который появляется именно благодаря существованию запрещенных энергетических зон.

Монокристаллы искусственных сапфиров только в незначительной степени уступают твердости алмаза и имеют высокую устойчивость к царапанью, что позволяет применять их в качестве защитных экранов в электронных устройствах (планшетах, смартфонах и т.д.). Применение метода Чохральского позволяет получать огромные монокристаллы искусственных сапфиров.

В наше время ученые все чаще говорят о нанокристаллах. Нанокристаллы могут иметь размер от 1 до 10 нм, что зависит от вида нанокристаллов, а также от их метода получения. Обычно они имеют 100 нм для керамики и металлов, 50 нм для алмаза и графита, и 10 нм для полупроводников. Размер нанокристаллов влияет на появление необычных свойства в привычных веществах. 

(Visited 1 333 times, 1 visits today)

Предыдущая статья: Наномедицина и ее перспективы в дальнейшем Следующая статья: Как выбрать цифровой фотоаппарат

кристаллов | Бесплатный полнотекстовый | Метаповерхности как искусственные кристаллы для управления электромагнитной поляризацией

В то время как некоторые виды животных могут непосредственно видеть поляризацию света, человеческий глаз слеп к ней, и потребовались столетия, чтобы определить это свойство света [1]. Поляризация — это геометрическое понятие и, следовательно, свойство симметрии; поэтому неудивительно, что история поляризации света тесно переплетена с изучением других объектов, имеющих явно выраженный симметрийный характер: кристаллов. Действительно, Гюйгенс около 169 г.0 заметил, что световые лучи, выходящие из кристалла кальцита, можно погасить, если после первого поместить второй, повернутый, кристалл кальцита [2]. В некотором смысле оказалось, что свет, распространяющийся в кальците, обладает не замеченным ранее свойством. На самом деле, сам факт, что кальцит обладает свойством расщепления одного луча света на два луча (двойное лучепреломление), сам по себе был примечательным явлением, о котором Эразм Бартолин сообщил за несколько лет до открытия Гюйгенса. Таким образом, поведение кристаллов в отношении распространения света стимулировало дальнейшие исследования связей между кристаллической структурой, с одной стороны, и внутренними свойствами света, с другой. После открытия Гюйгенса Ньютон предположил, что у света есть стороны; однако только в конце 18 века упругая теория света Френеля ввела понятие оптических волн как поперечных волн, предоставив количественные предсказания для наблюдений, проведенных до настоящего времени, и заложив прочные основы для последующих разработок [3]. .

Кальцит обладает двойным лучепреломлением благодаря своей анизотропной кристаллической структуре. Его тригональная кристаллическая структура приводит к одноосному диэлектрическому отклику с большим двулучепреломлением, которое до сих пор используется для изготовления оптических компонентов, таких как поляризаторы, хотя крупные и бездефектные кристаллы кальцита довольно редки (первоначальное месторождение в Исландии, давшее название чистым кристаллический кальцит, как исландский шпат, в настоящее время исчерпан) [4]. Другой распространенный двулучепреломляющий материал, α-кварц, проявляет дополнительный интригующий эффект: вращение поляризации [5]. Это объясняется отсутствием в кристаллической структуре центра инверсии; этот факт, в частности, имеет последствия и для макроскопической формы кристаллов кварца, которые могут появляться в «левых» и «правых» разновидностях. Кварц, следовательно, является хиральным кристаллом, который может воздействовать на хиральные свойства света. В середине 1920-го века именно изучение вращения поляризации выбранных хиральных кристаллов, полученных из раствора соли винной кислоты, позволило Пастеру понять, что молекулы также могут существовать в «левом» и «правом» вариантах; затем он заметил, что некоторые естественные процессы предпочитают специфическую «рукоять» на молекулярном уровне, и что хиральность широко распространена в биологических процессах (например, у всех нас есть сердце с левой стороны) [6].

Использование поляризованного света в экспериментальной науке и технике получило новый импульс после разработки дешевых поляризаторов (Эдвин Лэнд, ок. 19 г.).30). Дешевые поляризаторы, или поляроиды, были изготовлены путем внедрения и выравнивания в полимерной матрице мелких кристаллов герапатита (хрупкий кристалл, впервые синтезированный в 1852 г. Уильямом Б. Герапатом), который обладает свойством поглощать одно из двух линейных состояний поляризации света. [1]. Затем технология Polaroid отказалась от использования герапатита, но он получил широкое распространение и теперь лежит в основе предметов повседневного обихода, таких как компьютеры и дисплеи мобильных телефонов. Примечательно, что полимерные пленки также могут действовать как волновые пластины, которые, например, можно использовать для преобразования линейно поляризованного света в циркулярно поляризованный и наоборот.

В 20-м веке технология материаловедения привела к разработке еще одного чрезвычайно важного класса материалов, способных управлять поляризацией: жидких кристаллов. Будучи сначала научным любопытством, они обнаружили — в сочетании с вышеупомянутыми ламинированными полимерными поляризаторами — многомиллиардный рынок.

Однако устройства и компоненты на полимерной основе обычно имеют ограничения: мощность и стабильность. Поляризаторы могут нагреваться и разрушаться из-за поглощения света; между тем, ультрафиолетовый свет может повредить их. По этим причинам в приложениях большой мощности, таких как лазерные системы, все еще широко используются громоздкие и дорогие компоненты на основе кальцита или кварца. Таким образом, исследователи попытались получить твердые и прочные, но недорогие объекты, действующие как волновые пластины и поляризаторы, используя только обычные твердотельные материалы, такие как диэлектрики, металлы или полупроводники, в кристаллической, поликристаллической или аморфной формах (рис. 1). Ключевой идеей является работа с метаматериалами, где ключевой концепцией является разработка объектов, свойства которых в основном определяются структурой, а не лежащим в основе материалом (материалами), используемыми для их изготовления. Развитие метаматериалов можно понимать как инженерию кристаллов, хотя и в другом масштабе по сравнению с обычными кристаллами: здесь частицы определенного материала (метаатомы) располагаются, как правило, но не исключительно периодическим образом, в такой таким образом, чтобы их эффективные свойства удовлетворяли определенному требованию [7]. Метаатомы имеют размеры, намного превышающие размеры атома или молекулы; скорее, их размер обычно составляет часть длины волны излучения, с которым они должны справляться. Единственными составляющими, определяющими функцию метаповерхности, являются распределение и форма частиц (состоящих из подстилающего материала) и волновое уравнение (в нашем случае уравнения Максвелла). Например, можно сделать специальное расположение металлических пятен и петель таким образом, чтобы в занимаемом ими объеме распространялись волны, как если бы этот объем был заполнен однородным отрицательным показателем преломления [8]. Излучение воздействует на металлические пятна только эффективным образом, и вся физика может быть описана с макроскопической точки зрения, как если бы метаматериал был однородной областью с особыми свойствами. Аналогичные наблюдения можно сделать, если нижележащий материал расположен в виде квазидвумерных структур, таких как перфорированный металлический экран. Когда коллимированный луч света падает на такую ​​метаповерхность, поведение его отражения и преломления по амплитуде, фазе, поляризации и направлению может сильно отклоняться от того, что ожидается по формулам Френеля и закону Снеллиуса [9].].

Концепция метаповерхности восходит к частотно-селективным поверхностям, металлическим слоям с рисунком, обычно используемым для уменьшения поперечного сечения радиолокационного рассеяния самолетов и других целей [10]. Однако всплеск интереса к ней возник в последние десятилетия, когда методы микро- и нанотехнологий позволили уменьшить типичные размеры до размеров порядка инфракрасного и видимого света. Вскоре было признано, что метаповерхности могут действовать как объекты, управляющие поляризацией, поскольку простая асимметрия в элементарной ячейке может привести к разным откликам для двух линейных поляризаций света. Это действительно принцип работы поляризатора с проволочной сеткой, который когда-то был доступен только для более длинных волн (Маркони запатентовал радиоволновую версию [11]), а в настоящее время также продается для ультрафиолетового диапазона. Однако метаповерхности могут выполнять операции гораздо более сложные, чем операции линейного поляризатора, так как в принципе они могут работать со всеми элементами матрицы Джонса по отдельности. Это может быть достигнуто за счет использования соответствующих сложных элементарных ячеек, которые могут включать, например, хиральные включения, такие как наноспирали (спирали и другие трехмерные включения рассматриваются как элементы метаповерхности, а не метаматериала, когда их толщина меньше). чем рабочая длина волны).

С точки зрения волнового импеданса метаповерхности, управляющие поляризацией, представляют собой обобщенные условия сплошной проводимости с магнитоэлектрической связью. Правильно настроив такую ​​проводимость и магнитоэлектрическую связь, можно, в принципе, разработать очень общую операцию метаповерхности, хотя могут сохраняться такие ограничения, как пассивность и взаимность, в зависимости от основного материала и дополнительных соображений, таких как временная инвариантность [12,13]. ]. Следовательно, можно констатировать, что очень активный фронт исследований состоит из разработки метаповерхностей, нацеленных на самые общие поляризационные операции: взаимную или невзаимную, линейную, круговую или эллиптическую ретардацию, диаттенюацию или их комбинации. Эта сложная задача все чаще решается с помощью методов обратного проектирования, возможно, основанных на подходах машинного обучения, которые приобретают все большую роль в нанофотонике [14]. В связи с этим имеется широкий открытый фронт, что касается рабочей полосы пропускания и углового отклика. Чаще всего метаповерхности основаны на электромагнитных резонансах, которые ограничены шириной полосы и углом; это контрастирует с большинством приложений, где требуется широкополосный доступ и большое поле зрения. На мой взгляд, это один из самых важных вопросов, который сообщество метаповерхностей должно решить в будущем.

Важным следствием того факта, что метаповерхность может быть реализована из различных подстилающих материалов, является то, что определенные свойства материала могут быть выбраны по желанию, что приводит к операциям, которые невозможно выполнить с помощью обычных кристаллов, управляющих поляризацией. Например, по замыслу можно включить нелинейность и настраиваемость с помощью электромеханических, электрохромных, электрооптических, термомеханических или термооптических средств. В качестве альтернативы можно объединить подэлементы потери и усиления, чтобы вызвать экзотические реакции, напоминающие квантово-механические неэрмитовы системы [15].

Наконец, что важно, метаповерхности могут быть организованы изменяющимся в пространстве образом: путем распределения различных элементов метаповерхности в разных областях пространства можно генерировать так называемые градиентные метаповерхности Гюйгенса, то есть метаповерхности, способные создавать прямолинейные метаповерхности. направленный волновой фронт, имеющий четко определенную форму (концепция, по существу, является концепцией фазовой голограммы) [16]. На данный момент шаг к плоским линзам невелик; В настоящее время проводятся очень интенсивные исследования, чтобы довести эти концепции от проверки концепции до крупномасштабного рынка.

При том, что объем рынка, по оценкам, достигнет 10 миллиардов долларов в следующие 10 лет [17], такие виды искусственных кристаллов, называемые метаматериалами и метаповерхностями, могут оказать значительное влияние на нашу повседневную жизнь. Тем не менее, по-прежнему необходимы исследования, чтобы расширить сферу их применения на все ситуации, когда необходимо манипулировать и обнаруживать электромагнитные волны с их ключевым свойством — поляризацией. К ним относятся оптическая связь, квантовая фотоника, микроскопия, астрономия, обнаружение биологических и хиральных молекул, микроволновые, миллиметровые волны (с приложениями 5G) и терагерцовые компоненты.

Финансирование

Это исследование не получило внешнего финансирования.

Благодарности

Автор благодарит Э. Мугнайоли за поддержку графического изображения кристаллов с помощью VESTA (http://www.jp-minerals.org/vesta/en/download.html).

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Пай, Д. Поляризованный свет в науке и природе; Издательство IoP: Бристоль, Великобритания, 2001 г. [Google Scholar]
2. Борн, М.; Вольф, Э. Принципы оптики; Pergamon Press: London, UK, 1980. [Google Scholar]
3. Гольдштейн Д. Поляризованный свет; Марсель Деккер: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 2003. [Google Scholar]
4. Bass, M. (Ed.) Handbook of Optics, Volume II; Mc Graw-Hill: New York, NY, USA, 1995. [Google Scholar]
5. Yariv, A.; Yeh, P. Фотоника – оптическая электроника в современных средствах связи; Oxford Universiy Press: Oxford, UK, 2007. [Google Scholar]
6. «> Lough, WJ; Уэйнер, И. В. Хиральность в естественных и прикладных науках; Blackwell Science: Hoboken, NJ, USA, 2000. [Google Scholar]
7. Декер, М.; Стауде, И.; Чен, Х .; Тейлор, Эй Джей; Ю, Н .; Борискина С.В.; Грин, Массачусетс; Кэтчпол, К.; Урбас, AM; Джейкоб, З .; и другие. Дорожная карта по оптическим метаматериалам. Дж. опт. 2016 , 18, 1–53. [Google Scholar] [CrossRef][Зеленая версия]
8. Смит, Д.Р.; Падилья, WJ; Вьер, округ Колумбия; Немат-Насер, Южная Каролина; Шульц, С. Композитная среда с одновременно отрицательными проницаемостью и диэлектрической проницаемостью. физ. Преподобный Летт. 2000 , 84, 4184–4187. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed][Зеленая версия]
9. Чен, Х.-Т.; Тейлор, Эй Джей; Ю, Н. Обзор метаповерхностей: Физика и приложения. Респ. прог. физ. 2016
   , 79, 076401. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed][Green Version]
10. Munk, B.A. частотно-селективные поверхности; Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2000. [Google Scholar]
11. Marconi, G.; Франклин, CS Reflector для использования в беспроводной телеграфии и телефонии. Патент США 1 301 473, 22 апреля 1919 г. [Google Scholar]
12. Асадчий В.С.; Диас-Рубио, А .; Третьяков С.А. Бианизотропные метаповерхности: физика и приложения. Нанофотоника 2018 , 7, 1069–1094. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Ван З.; Ченг, Ф .; Винзор, Т .; Лю, Ю. Оптические хиральные метаматериалы: обзор основ, методов изготовления и приложений. Nanotechnology 2016 , 27, 412001. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed][Green Version]
14. Molesky, S.; Лин, З .; Пигготт, А.Ю.; Джин, В .; Вукович, Дж.; Родригес, А.В. Инверсный дизайн в нанофотонике. Нац. Фотон.
    2018 , 12. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
15. Фэн Л.; Эль-Ганаини, Р.; Ge, L. Неэрмитова фотоника, основанная на симметрии времени четности. Нац. Фотон. 2017 , 11, 752–762. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Дин Ф.; Порс, А .; Божевольный С.И. Градиентные метаповерхности: обзор основ и приложений. Респ. прог. физ. 2018 , 81, 026401. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed][Green Version]
17. Metamaterials готовы к коммерческому росту. Доступно в Интернете: www.osa-opn.org/news/meta-market (по состоянию на 31 августа 2020 г.).

Рисунок 1. Обычные и метаповерхностные оптические элементы, управляющие поляризацией. На панели (

a ) схематично показана волновая пластина из кальцита: замедление волн обеспечивается анизотропным откликом электронов в кристалле CaCO ₃ . На панели ( b ) показана метаповерхностная волновая пластина: замедление волны теперь определяется электромагнитным откликом метаатомов, форма которых разработана для обеспечения требуемой операции поляризации. Например, метаатом представлен состоящим из кристаллического кремния. Заметим, что толщина метаповерхности может быть уменьшена до порядка длины волны излучения.

Рисунок 1. Обычные и метаповерхностные оптические элементы, управляющие поляризацией. На панели ( a ) схематично показана волновая пластина из кальцита: замедление волн обеспечивается анизотропным откликом электронов в кристалле CaCO ₃ . На панели ( b ) показана метаповерхностная волновая пластина: замедление волны теперь определяется электромагнитным откликом метаатомов, форма которых разработана для обеспечения требуемой операции поляризации. Например, метаатом представлен состоящим из кристаллического кремния. Заметим, что толщина метаповерхности может быть уменьшена до порядка длины волны излучения.

© 2020, автор. Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Пьезоэлектрические кристаллы | Kadco Ceramics

Автор: Kadco Ceramics| Оставить комментарий

Пьезоэлектрический кристалл используется в самых разных потребительских, коммерческих и промышленных продуктах. Эти кристаллы используются в часах, ультразвуковом оборудовании, микрофонах, зажигалках, струйных принтерах, динамиках и самых разных датчиках и двигателях, а также во многих других областях.

Что такое пьезоэлектрический кристалл?

Пьезоэлектрические кристаллы обладают пьезоэлектрическим эффектом, то есть способностью материала генерировать электрический заряд при воздействии на него давления. Есть как натуральные, так и синтетические материалы с таким потенциалом.

Этот эффект был открыт в 1880 году Пьером и Жаком Кюри, хотя в течение многих лет он не имел практического применения вне лаборатории. К Первой мировой войне он использовался при создании сонара, что вызвало интерес к потенциалу дальнейшего технического прогресса с использованием пьезоэлектрического эффекта.

Как работают пьезоэлектрические кристаллы?

Способность проводить электричество является результатом структуры материала. Пьезоэлектрические кристаллы имеют сбалансированный заряд с асимметричной атомной структурой. Когда применяется механическое давление, структура деформируется, отталкивая отрицательный заряд в одну сторону, а положительный — в другую. Это известно как прямой пьезоэлектрический эффект. Кристаллы с симметричной структурой не подвержены такому воздействию давления и не являются пьезоэлектрическими.

Этот эффект работает и в обратном порядке — прохождение электричества от внешнего источника через пьезоэлектрические кристаллы преобразует электрическую энергию в звуковые волны. Это то, что было использовано для создания сонара, и это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Как генерировать электричество из пьезоэлектрических кристаллов

Процесс получения электричества из пьезоэлектрического кристалла довольно прост. Для превращения механической энергии в электрическую (прямой пьезоэлектрический эффект) для сжатия кристалла используются металлические пластины. Давление нарушает атомную структуру и создает электрический заряд, который собирается пластинами. Большее давление означает большую электрическую мощность.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает, когда уравновешенный кристалл, снова помещенный между двумя металлическими пластинами, заряжается электричеством. По сути, это заставляет кристалл сжиматься, деформируя его структуру, что создает звуковую волну.

Какой тип кристаллов/материалов проявляет пьезоэлектричество?

Кварц, вероятно, самый известный пьезоэлектрический кристалл, возможно, из-за его использования в кварцевых часах. Однако в природе встречаются и другие материалы (кристаллы и др.), обладающие этим качеством:

• Топаз
• Турмалин
• Рошельская соль
• Турмалин
• Кость
• Эмаль
• Коллаген
• ДНК

Синтетические пьезоэлектрические материалы, как правило, более рентабельны, чем природные, поэтому промышленные материалы, такие как лангасит, литий вместо природных кристаллов часто используют ниобат, титанат бария, ниобат калия, вольфрамат натрия, цирконат-титанат свинца (PZT) и другие. Эти синтетические варианты также имеют более сильный пьезоэлектрический потенциал.

Пьезоэлектрические материалы в Kadco Ceramics

В Kadco Ceramics мы имеем большой опыт обработки широкого спектра пьезоэлектрических материалов для всего, от гидролокаторов до медицинского оборудования, и мы можем помочь вам выбрать пьезоэлектрический материал, который лучше всего подходит для вашего применения. . В некоторых случаях кварц или топаз могут быть идеальными, или может быть лучше использовать синтетическую сегнетоэлектрическую керамику из-за их более сильного пьезоэлектрического эффекта и экономической эффективности. Мы с удовольствием обсудим ваш проект и поможем выбрать лучший вариант.

Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о пьезоэлектрических материалах и наших возможностях обработки.

Последние сообщения

• Что такое колонковое бурение?
• Обзор фрезерных станков с ЧПУ
• Краткое введение в плоскошлифовальные станки
• Краткое введение в датчики давления
• Краткое введение в сверление с ЧПУ

Архив:

• Октябрь 2021 г.