Как выращивают кристаллы: Ошибка 404. Запрашиваемая страница не найдена

Как вырастить кристаллы из соли или сахара

Продолжаем серию статей, посвященную выращиванию кристаллов. У нас можно купить все, что нужно для их выращивания: посуду, фильтры, перчатки и, конечно, же химические реактивы. В блоге уже есть полезные советы тем, кто начинает выращивать кристаллы дома. Сегодня расскажем о том, как вырастить кристаллы из самых доступных «реагентов» — соли и сахара. В следующих статьях поделимся способами выращивания кристаллов из медного купороса и других химических соединений.

Что нужно для выращивания кристаллов из соли и сахара

— сам исходный материал, то есть соль или сахар
— стакан или подобная емкость, кастрюлька
— дистиллированная или просто чистая вода
— нитка или леска
— карандаш или палочка для подвешивания кристалла
— опционально: пищевой краситель, лак — любой прозрачный, подходит и лак для ногтей.

Закрепление затравки

Кристалл-затравка, в нашем случае это выбранный из пачки кристаллик сахара или соли, обвязываем тонкой ниткой, волосом или леской. Другой конец нитки привязываем к карандашу или палочке, которую положим на емкость с растущим кристаллом. Вращая карандаш или палочку, регулируем длину нити так, чтобы затравка располагалась примерно посередине раствора.

Примечание: найти в пачке крупный кристалл сахара бывает затруднительно, поэтому в качестве затравки можно использовать кусочек кускового сахара. Еще можно использовать кусочек леденца: смочить его, обвалять в сахаре-песке и дать высохнуть, после чего использовать как затравку.

Кристалл из сахара, процесс изготовления

Вскипятите воду в кастрюльке. Убавьте огонь и начинайте засыпать в воду сахар, постоянно помешивая, пока сахар не перестанет растворяться. Примерное соотношение воды и сахара будет 1:3. Снимите сироп с огня и дайте немного остыть. Поместите в него затравку. Желательно, чтобы раствор с затравкой не остывал быстро — это вызывает рост кристаллов неправильной формы. Довольно большой, несколько сантиметров длиной и шириной кристалл вырастет уже через несколько дней.

Если вы хотите получить кристалл большего размера, просто долейте в емкость с ним еще сахарного сиропа.

Можно вырастить разноцветные сахарные кристаллы, для этого в сироп перед опусканием в него затравки добавьте немного пищевого красителя.

Кристалл из соли

Лучше всего для него подходит каменная соль. Морскую соль тоже можно использовать, а вот йодированная — не лучший выбор, так как кристалл из нее будет расти очень долго. В случае же с «обычной» солью кристалл вырастает на 2-3 см, в самой длинной части, за месяц.

Выращивание солевого кристалла почти не отличается от выращивания кристалла из сахара, только перед опусканием затравки в раствор его желательно профильтровать через специальную бумагу или просто через вату или несколько слоев марли. Краситель в раствор лучше не добавлять.

Кристалл со множеством граней и «ростков» получится, если поставить емкость с раствором в теплое место. Один большой кристалл можно попробовать получить, если готовить солевой раствор из воды комнатной температуры и проводить выращивание в холодном месте. В любом случае емкость с кристаллом в процессе роста лучше не двигать, это приведет к нарушению его формы.

Готовый солевой кристалл нельзя красить акварелью или гуашью, но можно покрасить, например, цветным лаком для ногтей.

Финишная обработка солевого или сахарного кристалла

Обязательно покройте кристалл прозрачным лаком — это сделает его водостойким, придаст красивый блеск и поможет сохранить на долгий срок. Вы можете использовать получившиеся кристаллы в дизайне интерьера, мы даем несколько идей, как сделать это просто и со вкусом.

В следующих статьях мы обязательно расскажем, как вырастить более необычные кристаллы из медного купороса и других реактивов — это тоже не сложно, а результаты бывают весьма впечатляющими.

Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров

«Это очень странный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый алюминиевой фольгой. Дерево — диэлектрик, оно не проводит электрический ток, а фольга проводит. Так и топологический изолятор. В теории его объем не проводит ток, но поверхность, в отличие от фольги, пропускает электроны, причем только с определенным спином», — поясняет ученый.

Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или послужить основой сверхбыстрых транзисторов, составив конкуренцию графену. Но пока все это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с нужными параметрами окончились неудачей. Из-за множества дефектов структуры кристаллы быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем проводил электрический ток.

Круговой нагрев

Обычно, когда расплав застывает, в нем возникает множество центров кристаллизации, выступающих точками роста граней и слоев сразу нескольких кристаллов. Чтобы получить монокристалл, в расплаве нужно создать условия для образования одного зародыша. Для этого смесь веществ загружают в емкость, конически сужающуюся книзу, и помещают в неравномерно прогретую вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш образовывался в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь стабильного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед запайкой откачали воздух. Это необходимо, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула прозрачная, рост монокристалла не увидеть: у раскаленного расплава слишком сильное излучение. Это все равно что смотреть на лампочку накаливания или Солнце. Селенид галлия растет при температуре 940 градусов Цельсия, тетрадимит — при 600 градусах.

«Обычно считается: чем равномернее емкость нагрета со всех сторон, тем лучше. Мы же поступили наоборот: решили чуть-чуть перегревать ампулу с одной стороны», — говорит Константин Кох.

Как вырастить кристалл из соли

Выращивание кристаллов в домашних условиях — процесс очень увлекательный, но достаточно длительный. В этой статье мы расскажем, как вырастить большой и красивый кристалл из обычной поваренной соли.

Как вырастить кристалл из соли

Вырастить кристалл можно из разных солей (с химической точки зрения), но проще всего вырастить кристалл в домашних условиях из обычной поваренной соли (её химическое название хлорид натрия NaCl).
Важное замечание! Не стоит раскрашивать раствор из которого растет ваш кристалл никакими красками. Это лишь все испортит, а кристалл все равно не окрасится.

Процесс выращивания кристалла из соли в домашних условиях не требует каких-то особых знаний и химических реактивов и препаратов. В каждой семье имеется пищевая (поваренная) соль, которую мы употребляем в пищу. Если посмотреть на соль под увеличением, то мы увидим, что она состоит из прозрачных кубиков. Это и есть кристаллы соли. Наша задача состоит лишь в том, чтобы придать красивую форму этим кристаллам.

Выращиваем кристалл из соли в домашних условиях

Перейдем непосредственно к выращиванию кристалла из соли. Для начала сделаем раствор соли. Для этого налейте воды (лучше дистиллированной) в любую небольшую ёмкость и поставьте его в емкость побольше , в которой также находится вода, но теплая, градусов 50-60. Такую температуру легко выставить на некоторых моделях электрических чайников. Тем, у кого такого чудо-чайника нет, можно порекомендовать смешать одну часть необходимого объема только что вскипевшей воды и две части воды комнатной температуры. Это и будет примерно 50-60 градусов. Затем насыпаем соль в маленькую емкость и, помешав, оставляем минут на 5. За это время емкость с водой нагреется, а соль полностью растворится. Затем добавляем еще соли, снова перемешиваем и оставляем до полного растворения. Эту процедуру нужно продолжать до тех пор пока соль не перестанет растворяться в воде. То, что мы получили называется насыщенный раствор соли. Осторожно переливаем насыщенный раствор в такую же по объему емкость. Следите за тем, чтобы нерастворившаяся соль не попала в новую емкость.
Теперь в пакете с солью выберите кристаллик покрупнее и осторожно положите на дно емкости с насыщенным солевым раствором. Основная работа закончена — теперь только ждать! Через пару дней вы заметите рост кристалла, и наш кристалл с каждым днем будет все больше и больше увеличиваться!

Совет! Чтобы убыстрить процесс, через несколько дней достаньте увеличившийся кристалл из раствора. Приготовьте насыщенный раствор соли заново и опустите туда наш кристалл. Так он будет расти гораздо быстрее!

Вот так просто можно вырастить кристалл из соли в домашних условиях. Присылайте фото своих кристаллов нам, а мы с удовольствием опубликуем их на страницах нашего сайта Задачи по химии.

(PDF) ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ

Овруцкий А. М., Подолинский В. В. Изучение роста кристаллов нафталина и пара-

дибромбензола в тонких слоях расплавов. — В кн.: Рост кристаллов. Ереван, Изд-во

Ереванск. ун-та, 1975, т. 11, с. 293—298.

Овсиенко Д. Е. Зарождение центров кристаллизации в переохлажденных жидких

металлах. — В кн.: Современные проблемы кристаллографии. М., Наука, 1975,

с.’127—149.

Петров Т. Г. Влияние среды на рост азотнокислого калия из водных растворов.—

Кристаллография, 1964, т. 9, вып. 4, с. 541—545.

Петров Т. Г. Теория информации и проблемы кристаллогенезиса. — В кн.: Про-

цессы роста кристаллов и пленок полупроводников. Новосибирск, 1970, с. 61—72.

Портнов В. Н., Белюстин А. В. Влияние примесей на скорость роста граней

алюмокалиевых квасцов из раствора. — Кристаллография, 1965, т. 10, вып. 3, с. 362—

367. Пунин Ю. О., Ульянова Т. П., Петров Т. Г. Образование макроблочности в кри-

сталлах КС1 при малых пересыщениях. — В кн.: Кристаллография и кри-

сталлохимия. Л., Изд-во ЛГУ, 1973, вып. 2, с. 97—100.

Трейвус Е. Б., Петров Т. Г. Проектирование кристаллических структур с по-

мощью преобразования координат. — Зап. Всесоюз. минерал, о-ва, 1964, ч. 93, сер. 2,

вып. 2, с. 197—203.

Франк Ф. К. Дискуссия. — В кн.: Новые исследования по кристаллографии и

кристаллохимии. М., ИЛ, 1950, сб. 1, с. 140.

Хаджи В. Е. Образование дислокаций в процессе роста кристаллов кварца.—

Минерал, сб. Львовск. геол. о-ва, 1966, № 20, вып. 3, с. 418—423.

Хокарт Р., Матье-Сико А. Ориентированные наросты и стабилизация куби-

ческой (I), тетрагональной (II) и ромбической (III) модификаций нитрата аммония

при обычных температурах. — В кн.: Новые исследования по кристаллографии и

кристаллохимии. М., ИЛ, 1950, сб. 2, с. 28—32.

Чернов А. А., Кузнецов В. А. Кинетика гидротермальной кристаллизации кварца в

различных растворах и гипотеза адсорбционной пленки. — Кристаллография, 1969, т.

14, вып. 5, с. 879—883.

Шабалин К.. В., Инюшкин Г. В. Влияние вращения монокристаллов на скорость

их роста и образование «паразитных» кристалликов. — В кн.: Рост кристаллов. М.,

Наука, 1965, т. 6, с. 385—387.

ЭПР, структура растворов электролитов и электрохимическое генерирование

свободных радикалов / П. А. Загорец, В. И. Ермаков, А. Г.. Атанасянц, В. В. Орлов.

— В кн.: Растворы, расплавы. М., ВИНИТИ, 1975, т. 1, с. 5—63.

Gulzow И. J. Wechselwirkungen zwischen Kristallmorphologie und perma-nenten Sto-

rungen wahrend des Wachstums von Kristallen. — Kristall und Tech-nik, 1966, Bd. 3, H. 1,

S. 411—422.

Peibst H., Noack J. Ober die Wachstumsgeschwindigkeit und Keimbildungs-

hauftigkeit von KG aus der Losung bei hohen Oberschreitungen. — Z. Phys. chem., Leip-

zig, 1962, Bd. 221, N 1/2, S. 115—120.

Stenike V. Losungs- und Wachstumsbehinderung in System KC1 —h30 durch Blocki-

erung mit einer Deckschicht komplexer Cianide. — Z. fur anorg. und allge-meine Chemie,

1962, Bd. 317, H. 3-4, S. 186—203.

К ГЛАВЕ 2

Микроскопический метод изучения фазовых равновесий и кристаллизации / Т. Г.

Петров, Ю. О. Пунин, Е. Б. Трейвус и др. — В кн.: Массовая кристаллизация. М.,

ИРЕА, 1975, вып. 1, с. 9—17.

Review: Crystallisation. — Ind. Eng. Chem., v. 38, N 1, p. 18—19; Warren L., McCa-

be, 1946, v. 40, N 1, p. 11—13; Grove C. S., Gray J. В., 1948, v. 41, p. 22—25; Grove C.

S., Gray J. В., 1949, v. 42, p. 28—31; Grove C. S., Gray J. В., 1950, v. 43, p. 58—62;

Grove C. S., Gray J. В., 1951, v. 44, p. 41—45; Grove C. S., Gray /. В., 1952, v. 45, p. 34—

38; Grove C. S., Gray J. В., 1953, v. 46, p. 75; Grove C. S, Schoen H. M., Palermo I. A.,

1954, v. 47, N 3, pt. II, p. 520—523; Palermo I. A., Grove C. S., Schoen H. M., 1955, v. 48,

N 3, pt. II, p. 486—491; Palermo I. A., Grove C. S., Schoen H. M., 1956, v. 49, p. 470—

475; Palermo 1. A.t Grove C. S., Schoen H. M., 1957, v. 50, p. 430—434; Schoen H. M.,

Grove C. S.t

192

2016 ноябрь_МБОУ г. Мурманска СОШ № 45 Никитина Н.В.Проект «Выращивание кристаллов»

Проект «Выращивание кристаллов»

 

Актуальность.

В последнее время появилось много интересных интеллектуальных игр «Вырасти кристаллы», «Юный химик», «Домашняя лаборатория». Это дает возможность познавать удивительный мир химических веществ. Мы решили не просто вырастить кристаллы, но и изучить, как на это будут влиять температура воздуха и освещенность, температура раствора.

Данные нашего проекта можно использовать на уроках окружающего мира и химии.

Цель проекта:

Научить учащихся выращивать кристаллы из поваренной соли, сахара, сульфат меди CUSO4 (вещество ядовито), дигидрофосфата аммония NH 4H 2PO4.

Задачи проекта:

1. Познакомить учащихся с методикой выращивания кристаллов разных веществ.
2. Учить учащихся фиксировать данные эксперимента в дневнике наблюдений.
3. Учить анализировать и систематизировать полученных данные опытов, делать выводы и умозаключения.

Объект: поваренная соль, сахар, сульфат меди CUSO4 (вещество ядовито). Оборудование: перчатки, чашки (одноразовая посуда для выращивания кристаллов), мерная ложка,  деревянные палочки, ложка для размешивания.

Внимание! При попадании реактивов на кожу или в глаза немедленно промойте их проточной водой!

 

Ход работы

1. Рассказ учителя.

Выращивание кристаллов в домашних условиях разными способами.

Раствор – это жидкость с растворившимся в воде каким-либо веществом. У каждого вещества есть свой предел растворимости в воде — раствор, вместивший в себя максимально возможное количество  растворяемого вещества, называется насыщенным раствором. Именно из таких растворов и получают кристаллы.   

Выращивание кристаллов в домашних условиях производят разными способами. Выращивать кристаллы можно, например, охлаждая насыщенный раствор. С понижением температуры растворимость веществ уменьшается (в основном, это касается безводной соли), и они, как говорят, выпадают в осадок.

Выращивание кристаллов можно осуществить и другим способом — постепенным удалением воды из насыщенного раствора. И в этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получается результат.

1. Методика выращивания кристаллов из поваренной соли.

Возьмите стакан горячей воды (желательно дистиллированной) и добавьте 5-6 столовых ложек соли и перемешайте до полного растворения. Затем добавьте ещё 2-3 мерные ложки соли и растворите её. Повторяйте этот этап до тех пор, пока  соль перестанет растворяться и будет оседать на дно.   Насыщенный раствор соли переливают в чистую емкость. На нитку выбираем и привязываем 3-4 крупных кристалла соли. К деревянной палочке привязать нитку с кристаллами соли и опустить в насыщенный раствор. Емкость закрыть сверху бумагой, чтобы не попадала пыль. Раствор оставляем на несколько дней, пока не вырастут кристаллы.

1. Методика выращивания кристаллов сахара.

В четверти стакана горячей воды растворите 3 столовых ложки сахара. Это сахарный сироп. Возьмите деревянные палочки (по количеству детей). Обмакните палочки в сахарный сироп, затем обваляйте в сахаре (оставьте место для  «ручки»). Дайте заготовкам просохнуть. Через 3 часа заготовки будут готовы. Затем готовим насыщенный раствор. В стакан горячей воды добавить 1,5 стакана сахарного песку и размешать до полного растворения. Можно добавить красители. Тогда кристаллы будут цветными. Опустим палочки с кристаллами сахара в раствор и закрепим их. Оставим раствор на несколько дней.

1. Методика выращивания кристаллов сульфат меди CUSO4.

Медный купорос продаётся в хозяйственных магазинах. Для выращивания нужно использовать только дистиллированную воду. Продается в автомагазинах, аптеках. Работать можно только в защитных перчатках. Вещество ядовито. При попадании на кожу, следует промыть водой. В стакан теплой воды  добавляем мерные ложки медного купороса и размешиваем для полного растворения. Привязываем пуговицу к нитке. На ней будет расти кристалл. Опускаем нитку в стакан с раствором и оставляем на несколько дней.

1. Работа с дневником наблюдений.

Каждый день учащиеся осматривают нитки с «затравками» для роста кристаллов. Затравки сдвигать нельзя. Линейкой аккуратно измеряют через стекло стакана размер кристаллов и фиксируют в дневнике наблюдений. Наблюдения следует проводить в одно и то же время.

Дневник наблюдений

Дата	Поваренная соль	Сахар	Сульфат меди CUSO4	Примечание

Выводы: ….

 

Кристаллы сульфата меди CUSO4

 

Кристаллы поваренной соли

 

 

 

Кристаллы сахара

 

 

Проект можно преобразовать в научно-исследовательскую работу, если изменять условия выращивания кристаллов: освещенность, температуру раствора, температуру воздуха, концентрация раствора и т.д.

Выводы:

1.Научились проводить опыты с химическими веществами согласно инструкции учителя.

2. Ученики научились выращивать кристаллы и фиксировать полученные данные в дневнике наблюдений.

3. Учились анализировать и систематизировать полученные данные.

Математики рассчитали, как вырастить кристаллы с заданными свойствами

Это крайне полезно в решении прикладных задач: в биологии, промышленности, материаловедении. К примеру, для выращивания синтетических драгоценных камней или преобразователей света для установки управляемого термоядерного синтеза; для формирования требуемых свойств высокопрочных сталей. Кроме того, модель можно использовать в биомедицинских приложениях: например, при синтезе инсулина, гемоглобина или белков.

Исследование поддержал Российский научный фонд («Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений​»; 18-19-00008). Одни из последних результатов представлены в Physics Letters A.

«Формулы новые, они обобщают произвольные законы роста, произвольные частоты нуклеации, произвольное начальное распределение кристаллов в системе, — перечисляет руководитель гранта и лаборатории Дмитрий Александров. — Мы описали динамический процесс выращивания кристаллов в пересыщенных растворах. Нашли одну из главных характеристик процесса — функцию распределения частиц по размерам в зависимости от момента времени, что позволяет определить, сколько кристаллов конкретного размера существует в системе в каждый момент времени».

Рост кристаллов математики рассчитали для промежуточной стадии. Всего стадии три. Начальная — когда образуется большое количество жизнеспособных ядер небольших размеров, расположенных далеко друг от друга. Вторая — промежуточная стадия — это быстрый рост уже существующих частиц и зарождение новых; по сути, процесс роста кристалла. Заключительная стадия наступает, когда ядра достигают макроскопических размеров, и процесс зарождения новых частиц останавливается; иными словами, кристаллы практически не растут.

«В кристаллизаторах — установках по выращиванию кристаллов — как правило, процесс протекает на промежуточной стадии. Берут раствор, добавляют туда примесь, кристаллики растут, забирая на себя пересыщение. Их отводят и затем снова добавляют примесь и так далее. Примерно так же растут кристаллы в пещерах, — рассказывает Дмитрий Александров. — При выращивании кристаллов в лабораторных условиях важно, чтобы гранулы кристалла формировались определенного размера и с заданными свойствами. Рассчитать это можно с помощью нашей модели».

В планах математиков — обобщить теорию нуклеации и роста кристаллов в бинарных расплавах, когда усложняется математическая модель процесса (дополнительно учитывается массоперенос растворенного в расплаве примесного компонента). Кроме того, планируется сформулировать более сложную постановку задачи и разработать методы ее решения.

В группу исследователей входят сотрудники лаборатории многомасштабного математического моделирования и кафедры теоретической и математической физики ИЕНиМ УрФУ.

Выращивание кристаллов с набором «Волшебные кристаллы». Инструкция

В природе настоящие кристаллы растут тысячи лет, но с помощью набора «Волшебные кристаллы» Вы сможете вырастить свой кристалл за несколько дней! Это очень интересное и занимательное занятие, развивающее у детей внимательность, творческие способности и любовь к естественным наукам.  Наблюдая каждый день за ростом кристалла , Вы будете видеть как они меняют свою форму и размер, и в конце их роста получите необыкновенный сувенир, созданный своими руками!

Наборов для выращивания кристаллов сейчас большое разнообразие:

Вот некоторые из них, представленные в нашем магазине:

Кристаллы в форме деревьев, цветов, фигурок животных, растущие на картоной основе. Время роста всего 6 часов!

Кристаллы с пожеланиями. Отличный подарок, который ребенок может сделать своими руками! Время роста 2 недели.

Одни из самых первых наборов для выращивания кристаллов. Мастер-класс и инструкцию, а также содержимое коробки вы можете посмотреть ниже!

А мы в этой статье рассмотрим выращивание кристаллов на примере среднего (фиолетовый) и малого (желтый) кристаллов.

При работе с набором обратите внимание на меры предосторожности и инструкцию по выращиванию!

Наборы идентичны, отличаются только размером.

И так, открываем наш набор:

В него входят:

• Порошок для выращивания кристаллов
• Затравочные кристаллы
• Пластиковый контейнер для выращивания кристаллов
• Ложка для размешивания порошка
• Каменное основание для выращивания кристаллов
• Перчатки
• Инструкция

Это кристаллический порошок. Пересыпаем его в пластиковый стакан. 

Далее нужно вскипятить воду и налить ее в этот же контейнер до горизонтальной отметки на боковой стороне контейнера.

Размешиваем порошок до полного растворения деревянной палочкой или пластиковой ложкой. Важно чтобы порошок полностью растворился, это может занять 2 и более минуты.

Берем каменную основу, обмываем проточной водой.

аккуратно высыпаем в контейнер с горячим кристаллическим 

раствором. Палочкой распределяем камешки равномерно по дну контейнера. Плотно накрываем крышкой.

Дожидаемся охлаждения раствора до комнатной температуры.

Затем осторожно засыпаем затравочные кристаллы (это маленький мешочек с белым порошком, на нем написано «затравочные кристаллы») Контейнер во время и после этих действий нельзя перемещать и трясти.

Снова плотно накрываем крышкой и оставляем на 24 часа.

Через 24 часа снимаем крышку и в дальнейшем оставляем контейнер открытым.

Рост кристаллов может продолжаться от 1 до 4 недель. 

Во время роста контейнер нельзя трясти и перемещать. Даже музыка может нарушить рост кристаллов!!!

Когда над поверхностью раствора появиться вершина самого высокого кристалла, нужно слить остаток раствора и аккуратно следуя инструкции отделить кристалл с каменным основанием от дна контейнера. 

 

Высушите кристалл на воздухе, избегайте контакта кристалла с водой. 

Наслаждайтесь результатом!

Удачи Вам и Вашим деткам в опытах и экспериментах!!!

Данный набор для выращивания кристаллов есть в нашем интернет-магазине:

Похожий мастер-класс 

Мастер-класс по выращиванию Кристалла с Пожеланием!

Все «Мастер-классы»

Как образуются кристаллы? | Специалист по янтарю

Кристаллы бывают самых красивых форм и цветов, но как они образуются? А какой самый большой кристалл из когда-либо найденных? Заглянем в удивительный мир кристаллографии.

Содержание

Резервное копирование

Определение кристаллов

Прежде чем мы углубимся в чудесный мир кристаллов, мы сначала дадим определение того, что такое кристалл: кристалл — это твердый материал, компоненты которого, такие как атомы, молекулы или ионы, расположены в высокоупорядоченной структуре, образуя кристаллическая решетка, простирающаяся во всех направлениях. Многие кристаллы характеризуются геометрической формой, состоящей из плоских поверхностей с определенной характерной ориентацией.

Резервное копирование

Кристаллография

Научное изучение кристаллов и их образования известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или коагуляцией. Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος (krustallos), что означает и «лед», и «кристалл».

Резервное копирование

Повторение узоров

Большинство минералов находится в кристаллической форме. Каждый кристалл имеет упорядоченный внутренний атомный узор с особым способом закрепления новых атомов в этом узоре и повторения его снова и снова. Форма кристаллов может значительно различаться. Представьте, например, куб (например, пирит) или шестиугольник (например, снежинку). Эти формы отражают внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные вариации.Поэтому кристаллы популярны в ювелирных изделиях.

Резервное копирование

Идеальные кристаллы

Кристаллы идеальной формы встречаются редко. Для идеального роста геометрической формы и плоских поверхностей кристаллам также необходимы идеальные условия для выращивания. Когда, например, много разных кристаллов растут близко друг к другу, они образуют своего рода сплавленную массу без образования кристаллов. Так обстоит дело с такими породами, как гранит, который состоит из множества мелких минеральных кристаллов.Чтобы превратиться в идеальный кристалл, ему нужно много места без конкуренции.

Резервное копирование

Красивые цвета

Внутреннее расположение атомов определяет химические и физические свойства минералов, включая их цвет. Однако свет и излучение могут влиять на это, что может привести к разнообразию цветов. Многие минералы бесцветны в чистом виде, когда излучение или свет придают цвет кристаллу.Кварц в чистом виде бесцветен, но бывает разных цветов. От розового, желтого и коричневого до темно-фиолетового аметиста и их комбинаций. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. Древние греки считали, что прозрачный кварц — это замороженный лед, который не может таять. Самый красочный минерал — флюорит. Эти кристаллы также бесцветны в чистом виде, но сильно реагируют на свет и излучение в процессе своего роста. В некоторых кристаллах можно найти цветные полосы, которые указывают на изменение условий освещения во время формирования.

Резервное копирование

Растущие кристаллы

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», даже если они не живые. В подземных полостях кристаллы растут через атомы, которые соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие из них растут в воде, богатой растворенными минералами. Однако это не условие, кристаллы также могут расти из расплавленной породы или даже из паров. Под воздействием температуры и давления атомы объединяются, образуя удивительные формы кристаллов.Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии веками привлекали ученых к изучению минералов.

Резервное копирование

Симметрия

Симметрия — это регулярный повторяющийся узор деталей, который встречается в природе повсюду. Представьте крылья бабочки, семена и листья подсолнуха или узор снежинки. Минералы не исключение. В кристаллах форма определяется повторяющимися атомными узорами и отражает «грань» кристалла.Вы часто видите характерную симметрию кристалла невооруженным глазом, но если кристалл очень маленький, то лупа или увеличительное стекло — удобный инструмент. Распознать симметричные узоры в кристаллах сложно, но опыт помогает. Чем больше кристаллов вы увидите, тем лучше сможете распознать симметрию. Однако иногда кристалл имеет далеко не идеальную форму и его сложно классифицировать даже специалистам. Поэтому в науке кристаллы определяются по расположению атомов, а не по внешнему виду.

Резервное копирование

Особые свойства кристаллов кварца

Если сжать кристалл кварца, он генерирует небольшой электрический ток. Давление на поверхность кристалла заставляет ионы в кристалле менять положение, нарушая баланс и превращая кристалл в крошечную батарею. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект. Это также работает и наоборот, когда на кристалл кварца подается электрический ток, чтобы он изгибался.Кварцевые часы используют это явление для точного отображения времени.

Резервное копирование

Примеси

Во время образования кристалла могут возникать примеси, что означает, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа. Например, идеальный алмаз должен содержать только атомы углерода, но он также может содержать несколько атомов бора. Эти примеси меняют цвет алмаза на голубой. То же самое и с кристаллом корунда. Тип примеси, присутствующей во время роста кристалла, определяет, говорим ли мы о рубине или сапфире.

Резервное копирование

Самые большие кристаллы в мире

Самые большие кристаллы в мире расположены на 300 метров ниже мексиканского городка Найка. В 2000 году здесь была обнаружена полость размером 10 на 30 метров. Кристаллы селенита, которые здесь встречаются, огромны. Самый большой кристалл имеет длину 12 метров и диаметр 4 метра! Температура постоянно около 58 градусов. Без специального оборудования человек не продержится более 10 минут.Было подсчитано, что возраст кристаллов составляет около 500 000 лет. С помощью специальных насосов полость сохраняется сухой от воды для дальнейшего изучения.

Резервное копирование

Как кристаллы образуются и растут?

Кристалл или кристаллическое твердое тело — это твердый материал, составляющие которого, такие как атомы, молекулы или ионы, расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, которая простирается во всех направлениях. Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских граней с определенными характерными ориентациями.

Научное изучение кристаллов и их образования известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием. Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος (krustallos), означающего одновременно «лед» и «горный хрусталь», от κρύος (kruos), «ледяной холод, мороз».

Большинство минералов встречается в природе в виде кристаллов. Каждый кристалл имеет упорядоченную внутреннюю структуру атомов с особым способом закрепления новых атомов в этой структуре, чтобы повторять ее снова и снова. Форма полученного кристалла, такая как куб (как соль) или шестигранная форма (как снежинка), отражает внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные вариации. Но студенты редко найдут у себя на заднем дворе минеральные кристаллы идеальной формы, которые они видят в музее.Это связано с тем, что для того, чтобы кристаллы легко демонстрировали свою геометрическую форму и плоские поверхности, им необходимы идеальные условия для выращивания и пространство для роста. Когда много разных кристаллов растут рядом друг с другом, они сливаются вместе, образуя конгломерированную массу. Так обстоит дело с большинством горных пород, таких как упомянутый выше гранит, который состоит из множества крошечных минеральных кристаллов. Образцы музейного качества, показанные на изображениях, выросли в просторных помещениях, которые позволяли геометрическим формам формироваться непринужденно.

Внутреннее расположение атомов определяет все химические и физические свойства минералов, включая цвет.Свет взаимодействует с разными атомами, создавая разные цвета. Многие минералы в чистом виде бесцветны; однако примеси атомной структуры вызывают окраску. Кварц, например, обычно бесцветен, но бывает разных цветов от розового до коричневого до темно-фиолетового цвета аметиста, в зависимости от количества и типа примесей в его структуре. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. На самом деле, корень для кристалла происходит от греческого слова krystallos — лед, потому что древние греки считали, что прозрачный кварц — это лед, замороженный настолько сильно, что он не может таять.

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», даже если они не живые. В подземных садах они разветвляются и ощетиниваются, когда триллионы атомов соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие растут из воды, богатой растворенными минералами, но они также растут из расплавленной породы и даже из пара. Под воздействием различных температур и давлений атомы объединяются в удивительное множество кристаллических форм. Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии давно привлекало ученых к изучению минералов.Симметрия — это регулярный повторяющийся узор составных частей. Симметрия в природе повсюду — парные крылья бабочки, завитки и лепестки подсолнуха, узор снежинки, лапы паука — и минералы не исключение. В кристаллах эти повторяющиеся узоры встречаются в основной атомной структуре и отражают узор граней кристалла. Вы часто можете увидеть характерную симметрию минерального кристалла невооруженным глазом, но если кристалл крошечный, вам может потребоваться рассмотреть его в увеличительное стекло или микроскоп (как будет продемонстрировано в плане урока 2).Поначалу может быть трудно распознать симметричные узоры в кристаллах, но опыт помогает: чем больше образцов вы посмотрите, тем больше симметрии и кристаллов вы узнаете. Однако некоторые образцы не имеют кристаллов правильной формы и их трудно классифицировать даже специалистам.

Кристаллическая структура

Схема расположения атомов в кристаллическом, поликристаллическом и аморфном веществе.

Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, которое называется кристаллической структурой.Кристалл — это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение.

Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с маленьких кристаллов льда, которые растут, пока не сливаются, образуя поликристаллическую структуру. В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых «кристаллитами» или «зернами») представляет собой настоящий кристалл с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, потому что периодический узор нарушается по границам зерен.Большинство макроскопических неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая почти все металлы, керамику, лед, горные породы и т. Д. Твердые тела, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло, называются аморфными твердыми телами, также называемыми стеклообразными, стекловидными или некристаллическими. У них нет периодического порядка, даже микроскопического. Существуют явные различия между кристаллическими твердыми телами и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не выделяет скрытую теплоту плавления, а образование кристалла выделяет.

Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своей элементарной ячейкой, небольшой воображаемой коробкой, содержащей один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки уложены в трехмерном пространстве, образуя кристалл.

Симметрия кристалла ограничена требованием, чтобы элементарные ячейки располагались в стопке без зазоров. Существует 219 возможных симметрий кристаллов, называемых кристаллографическими пространственными группами. Они сгруппированы в 7 кристаллических систем, таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, такие как галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, такие как обычный водяной лед).

Хрустальные грани и формы

Кристаллы обычно узнаваемы по форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются обязательными для кристалла — кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим атомным расположением, а не его макроскопической формой, — но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.

Евэдральные кристаллы — это кристаллы с четко выраженными плоскими гранями. Неэдральные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.

Плоские грани (также называемые гранями) идиоморфного кристалла ориентированы определенным образом относительно основного расположения атомов кристалла: они представляют собой плоскости с относительно низким индексом Миллера. Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкая поверхностная энергия). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более грубым и менее стабильным частям поверхности, но труднее прикрепляются к плоским стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и более гладкими, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей.(См. Диаграмму справа.)

Один из старейших методов кристаллографии состоит в измерении трехмерной ориентации граней кристалла и использовании их для определения симметрии основного кристалла.

Внешний вид кристалла — это его видимая внешняя форма. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможные ориентации граней), специфическим химическим составом кристаллов и связью (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими) и условиями, в которых формировался кристалл.

Встречаемость в природе

Скалы

Кристаллы кальцита внутри панциря цистоида Echinosphaerites aurantium (средний ордовик, Эстония). Кредит: Марк А. Уилсон

По объему и весу самые большие концентрации кристаллов на Земле являются частью ее твердой коренной породы. Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год самым большим в мире известным кристаллом природного происхождения является кристалл берилла из Малакиалины, Мадагаскар, длиной 18 м (59 футов) и длиной 3 метра.Диаметр 5 м (11 футов) и вес 380 000 кг (840 000 фунтов).

Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, в результате чего возникли большие массы кристаллической породы. Подавляющее большинство магматических пород образовано из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит в первую очередь от условий, при которых они затвердевали. Такие породы, как гранит, которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы вылились на поверхность и очень быстро остыли, и в этой последней группе обычно встречается небольшое количество аморфного или стекловидного вещества.Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мраморы, слюдяные сланцы и кварциты, перекристаллизованы. Это означает, что сначала они были обломочными породами, такими как известняк, сланец и песчаник, и никогда не были ни в расплавленном состоянии, ни полностью в растворе, но условия высокой температуры и давления метаморфизма повлияли на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая перекристаллизацию в твердое состояние.

Другие горные кристаллы образовались в результате выпадения осадков из флюидов, обычно воды, с образованием друзов или кварцевых жил.Эвапориты, такие как галит, гипс и некоторые известняки, выпали из водного раствора, в основном из-за испарения в засушливом климате.

Снежные хлопья Кредит: Wilson Bentley

Ice

Лед на водной основе в виде снега, морского льда и ледников — очень распространенное проявление кристаллического или поликристаллического вещества на Земле. Одна снежинка обычно представляет собой монокристалл, а кубик льда — поликристалл.

Органические кристаллы

Многие живые организмы способны производить кристаллы, например кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатит в случае позвоночных.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут осаждаться непосредственно из газа; см. Осаждение тонких пленок и эпитаксия.)

Кристаллизация — сложная и широко изученная область, потому что в зависимости от условий одна жидкость может затвердеть во множество различных возможных форм. Он может образовывать монокристалл, возможно, с различными фазами, стехиометрией, примесями, дефектами и особенностями.Или он может образовывать поликристалл с различными возможными размерами, расположением, ориентацией и фазой зерен. Окончательная форма твердого вещества определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, давление окружающей среды, температура и скорость, с которой все эти параметры меняются.

Конкретные промышленные методы производства крупных монокристаллов (так называемых булей) включают процесс Чохральского и метод Бриджмена.Могут использоваться другие менее экзотические методы кристаллизации, в зависимости от физических свойств вещества, включая гидротермальный синтез, сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя.

Большие монокристаллы могут быть созданы геологическими процессами. Например, кристаллы селенита размером более 10 метров найдены в Пещере кристаллов в Найке, Мексика. Подробнее о геологическом кристаллообразовании см. Выше.

Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. Выше.И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, такие как протеины антифриза.

Дефекты, примеси и двойникование

Двойниковая группа кристаллов пирита.

В идеальном кристалле каждый атом находится в идеальном, точно повторяющемся узоре. Однако в действительности большинство кристаллических материалов имеют множество кристаллографических дефектов, то есть места, где структура кристалла прерывается. Типы и структура этих дефектов могут сильно влиять на свойства материалов.

Несколько примеров кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое пространство, в которое должен поместиться атом), межузельные дефекты (дополнительный атом, зажатый там, где он не помещается) и дислокации (см. Рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении, поскольку они помогают определять механическую прочность материалов.

Другой распространенный тип кристаллографического дефекта — примесь, означающая, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа.Например, идеальный кристалл алмаза может содержать только атомы углерода, но настоящий кристалл может также содержать несколько атомов бора. Эти примеси бора изменяют цвет алмаза на слегка голубой. Точно так же единственная разница между рубином и сапфиром — это тип примесей, присутствующих в кристалле корунда.

В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью, резко изменяет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, стали возможными в значительной степени благодаря размещению различных полупроводниковых примесей в разных местах по определенным схемам.

Двойникование — это явление где-то между кристаллографическим дефектом и границей зерен. Подобно границе зерен, двойниковая граница имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границ зерен ориентации не случайны, а связаны определенным, зеркальным образом.

Мозаичность — это разброс ориентаций кристаллических плоскостей. Предполагается, что мозаичный кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько смещены друг относительно друга.

Квазикристаллы

Материал гольмий – магний – цинк (Ho – Mg – Zn) образует квазикристаллы

Квазикристалл состоит из массивов атомов, которые упорядочены, но не являются строго периодическими. У них много общих атрибутов с обычными кристаллами, таких как отображение дискретного рисунка при дифракции рентгеновских лучей и способность образовывать формы с гладкими плоскими гранями.

Квазикристаллы наиболее известны своей способностью демонстрировать пятикратную симметрию, что невозможно для обычного периодического кристалла (см. Кристаллографическую теорему об ограничениях).

Международный союз кристаллографии переопределил термин «кристалл», включив в него как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретную дифракционную диаграмму»).

Квазикристаллы, впервые открытые в 1982 г., на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, измеренных на сегодняшний день. Нобелевская премия по химии 2011 г. была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов.

Кристаллография

Кристаллография — это наука об измерении кристаллической структуры (другими словами, расположения атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей.Большое количество известных кристаллических структур хранится в кристаллографических базах данных.

Ссылка:
Википедия: Кристалл
Википедия: Кристаллизация
Википедия: Рост кристаллов
Смитсоновское образование: Минералы и кристаллы
Как растут кристаллы: DOI: 10.1038 / 164303a0, Nature

растущих качественных кристаллов — Химический факультет Массачусетского технологического института

Согласно старому правилу Garbage In = Garbage Out , кристаллическая структура настолько хороша, насколько хорош кристалл, используемый для сбора данных.Поэтому стоит потратить время на улучшение качества ваших кристаллов. Несмотря на то, что выращивание кристаллов — это больше искусство, чем наука, и удача является важным фактором, есть кое-что, что нужно делать, а кое-чего не делать. В следующих параграфах упоминаются некоторые из наиболее важных. Сначала немного теоретических основ о кристаллизации.

Насыщенность и перенасыщение

Теоретически кристаллизация должна начинаться, когда концентрация соединения в растворителе выше, чем произведение растворимости этого соединения.Однако обычно кристаллизация кинетически затруднена, и кристаллы растут только из перенасыщенных растворов. Есть несколько способов достичь этого метастабильного состояния перенасыщения.

Самый простой — увеличить концентрацию путем испарения растворителя до тех пор, пока не начнется кристаллизация. Этого можно добиться, не закрывая крышку пробирки или колбы очень плотно и просто подождав. Многие кристаллы получают из трубок ЯМР. Пробирки для ЯМР обычно закрываются этой маленькой цветной заглушкой в ​​форме бейсболки, которая не слишком тугая.Если его забыть в холодильнике или на лабораторном столе на несколько месяцев, растворитель медленно испаряется из трубки ЯМР, раствор сначала зашивается, затем становится перенасыщенным, и кристаллы растут.

Другой способ получения перенасыщенного раствора заключается в том, что многие соединения лучше растворяются в горячих растворителях, чем в холодных. Горячий раствор, который почти насыщен, может давать кристаллы при комнатной температуре или, при необходимости, ниже. Однако кисты, которые растут при более высокой температуре, часто сдваиваются или демонстрируют статическое расстройство.

Другой способ перенасыщения, часто лучший способ выращивания качественных кристаллов, — это использование бинарных систем растворителей. Вам нужны две жидкости, которые хорошо смешиваются, и ваше соединение должно быть растворимо только в одной из них. Жидкость, в которой растворяется ваше соединение, называется растворителем, другая жидкость — осадителем. Поскольку ваше соединение менее растворимо в смеси двух жидкостей, вы можете выращивать кристаллы, медленно смешивая (не слишком) концентрированный раствор вашего соединения с осадителем. Это может происходить как диффузия жидкость-жидкость, диффузия в газовой фазе или через мембрану (диализ).

Зарождение ядра

Кристаллизации предшествует зародышеобразование, которое происходит либо спонтанно, либо вызвано вибрацией или частицами. Если зародышеобразование начнется слишком быстро, вырастет слишком много слишком мелких кристаллов. На рисунке ниже показана диаграмма равновесия кристаллизации из раствора. Для дифрактонного эксперимента вам понадобится не более одного хорошего монокристалла. Лучший способ вырастить несколько хороших кристаллов, в отличие от большого количества плохих, — это медленно изменять концентрацию в области зародышеобразования, не углубляясь в нее.Образование зародышей (не слишком много) и начальная кристаллизация снизят концентрацию и вернут раствор в область перенасыщения. Здесь растут существующие кристаллы, но не образуются новые зародыши. Вы хотите, чтобы ваша система оставалась там. Это означает, что все изменения в вашей системе должны быть медленными.

Размер Вопросы

Кристаллы дифракционного качества должны быть относительно большими. Может быть, не совсем в масштабе обручального кольца, но от 0,1 до 0,3 мм в каждом измерении — хорошее число.Чтобы вырастить крупные кристаллы, важно избегать большого количества центров зародышеобразования (см. Выше). Кристаллы, которые растут медленнее, обычно больше. Для кристаллов, которые были выращены путем медленного охлаждения растворителя: обычно это улучшает качество и размер кристаллов, если раствор медленно нагревают до тех пор, пока почти все кристаллы снова не растворятся, а затем очень медленно охлаждают во второй раз. Это может уменьшить количество получаемых кристаллов и обычно улучшает качество и размер.

Я зря потратил время, теперь время тратит меня зря

Хороший кристалл растет медленно.Хорошие временные рамки для эксперимента по кристаллизации составляют от двух до семи дней. Кристаллы, которые растут в течение нескольких минут, обычно не дифрагируют так хорошо, как могли бы.

Методы кристаллизации

Медленное испарение

Как упоминалось выше, это простейший метод выращивания кристаллов. Приготовьте почти насыщенный раствор вашего соединения в подходящем растворителе, переложите по крайней мере пару миллилитров в чистый контейнер, в идеале с большой поверхностью, и накройте.Однако не накрывайте его слишком плотно (алюминиевая фольга с несколькими перфорациями, похоже, подойдет очень хорошо), так как вы хотите, чтобы растворитель испарился в течение следующих дней. Отложите контейнер в сторону и как можно меньше мешайте эксперименту (помните: вибрация может вызвать зародышеобразование).

• Преимущества: Easy.
• Недостатки: Требуется много материала, начинается с (почти) насыщенного раствора, что может привести к слишком сильному зародышеобразованию, что не очень хорошо для чувствительных к воздуху соединений.

Медленное охлаждение

Приготовьте почти насыщенный раствор вашего соединения с температурой кипения выбранного вами растворителя или близкой к ней. Перелейте раствор в чистую емкость и накройте. Поместите емкость в тепловую баню примерно такой же температуры и дайте медленно остыть. Дьюар с горячей водой часто помогает. Разновидностью этого метода является приготовление насыщенного раствора комнатной температуры и установка емкости в холодное место.Например. thf остается жидким при -80 ° C, что позволяет выращивать кристаллы в бане с сухим льдом и ацетоном (или в морозильной камере -80 ° C).

• Преимущества: Легко, лучше всего работает с только умеренно растворимыми веществами.
• Недостатки: Требуется много материала, начинается с насыщенного раствора (слишком много мелких кристаллов), обычно происходит при высокой температуре, что может привести к неупорядоченным или двойниковым кристаллам.

Диффузия пара

Для этого метода вам понадобится бинарная система растворителей. Выберите две жидкости, которые хорошо смешиваются. Ваше соединение должно быть относительно хорошо растворимым в жидкости с более высокой температурой кипения — мы называем эту жидкость растворителем — и настолько хорошо, насколько нерастворимо в жидкости с более низкой температурой кипения, которую мы называем осадителем . Приготовьте раствор вашего компунда в небольшом открытом контейнере. Поместите эту емкость в емкость большего размера, содержащую осадок, и хорошо закройте внешнюю емкость. Со временем более летучий осадитель будет диффундировать по газовой фазе в растворитель, что приведет к перенасыщению, зародышеобразованию и, если все пойдет хорошо, к окончательной кристаллизации.Вы можете регулировать скорость диффузии, изменяя температуру.

• Преимущества: Хорошо работает с небольшими количествами, обычно дает хорошие кристаллы, параметры легко контролировать.
• Недостатки: Не все так просто, найти два подходящих растворителя может быть сложно.

Диффузия жидкость-жидкость

Как и в случае метода диффузии паров, вам потребуется бинарная система растворителей. В этом случае точки кипения не имеют большого значения, но удельные плотности двух жидкостей должны быть разными.Приготовьте концентрированный раствор вашего компаунда в растворителе и приготовьте осадитель. Перенесите небольшой объем жидкости, имеющей более высокую удельную плотность, в узкую емкость и аккуратно залейте его другой жидкостью. Лучше всего это работает со шприцем и иглой для подкожных инъекций. Со временем два растворителя смешаются, и, если вам повезет, образуются кристаллы. Один из вариантов этого метода — заморозить нижний слой перед добавлением второй жидкости. Это значительно упрощает получение четкого разделения между двумя слоями.

• Преимущества: Хорошо работает с небольшими количествами, параметры легко контролировать.
• Недостатки: Подобрать два подходящих растворителя немного сложно.

Сублимация

Сублимация не должна быть предпочтительным методом выращивания кристаллов дифракционного качества. Сублимация обычно происходит при относительно высоких температурах, а это означает, что при образовании кристаллов в системе требуется много энергии. При высокой температуре различия между двумя одинаковыми ориентациями молекул могут стать незначительными, что приводит к двойниковому или статически неупорядоченному кристаллу.Кроме того, кристаллы обычно растут слишком быстро, когда их получают сублимацией, что также может способствовать сплетению или беспорядку.

Конвекция

Конвекция, хотя и несколько экзотическая, может быть хорошим методом выращивания кристаллов высокого качества. Создание градиента температуры в сосуде для кристаллизации путем охлаждения или нагрева его части приводит к медленному и устойчивому потоку в жидкой фазе. Идея состоит в том, что больше вещества растворяется в более горячей части контейнера, перемещается в более холодную область, где оно начинает кристаллизоваться.Кристаллы движутся с потоком, попадая в зону гудка, где полностью или частично растворяются. Те, которые растворяются лишь частично, вырастут в своем следующем путешествии из теплого в холодное и обратно в теплое. Несколько сотен раундов могут дать кристалл очень хорошего дифракционного качества. Скорость в сосуде пропорциональна градиенту тепла, который не должен быть слишком большим, поскольку слишком быстрая конвекция не оставляет достаточно времени для зародышеобразования.

Имитация конструкции Дэвида Уоткина (Watkin, D.J., J. Appl. Cryst. (1972), 5, 250), Чак Барнс пришел к следующей идее: «Отрежьте кончик пипетки Пастера примерно на один см выше начала сужающейся части, а затем запечатайте маленький конец термосваркой, вы получите хороший дешевый термальный градиентный флакон. Поместите суспензию вашего материала в относительно слабый растворитель во флакон и центрифуги, чтобы набить нерастворенный материал в наконечник. После центрифугирования в наконечнике находится твердый осадок (~ 5 мм), покрытый чистым «плохим» растворителем. Закройте флакон тефлоновой лентой и парафильмом.Я делаю нагреватель из керамических резисторов цилиндрической формы, которые обычно можно купить в магазине электроники. Я нашел несколько зеленых на 100 Ом, они хорошего размера. Поместите только кончик флакона с твердой гранулой в нагреватель так, чтобы флакон находился под углом ~ 45 градусов от вертикали. Подайте напряжение, чтобы получить на резисторе примерно 50 ° C, и у вас будет хороший температурный градиент во флаконе. Если повезет, вы получите кристаллы, растущие во флаконе. Кажется важным убедиться, что у вас есть хороший температурный градиент во флаконе.Если повезет, вы получите кристаллы, растущие во флаконе. Кажется важным убедиться, что весь аморфный материал упакован … нет порошка там, где вы хотите, чтобы кристаллы росли ». Чак добавляет об этом методе: «Временами он давал мне превосходные кристаллы, а иногда давал превосходные кристаллы (меньший разброс мозаики), даже когда кристаллы были получены от испарения».

Как обращаться с кристаллами, когда они у вас есть

Прежде всего: НИКОГДА не удаляйте растворитель ! Часто молекулы растворителя совместно кристаллизуются с вашим соединением, что делает их неотъемлемой частью кристаллической решетки.При удалении маточного раствора из кристаллов кристаллы подвергаются воздействию воздуха (или любого другого газа, который есть в перчаточном ящике), а молекулы летучих растворителей медленно испаряются из кристаллической решетки, оставляя пустые отверстия. Очень маленькие отверстия снижают максимальное разрешение, на которое дифрактирует кристалл, большие отверстия разрушают кристалл.

Не стоит слишком часто менять условия окружающей среды для ваших кристаллов. По возможности оставьте их в покое.

Растущие кристаллы

Кристалл — А кристалл — это твердое тело определенной геометрической формы. Форма состоит гладких плоских поверхностей с острыми краями или углами.

Кристаллография — Раздел химии, изучающий кристаллы и их структуру.

Нуклеация — Когда растворенные молекулы в насыщенном растворе столкнуться с частицей пыли или твердой поверхностью (например, веревкой или затравочный кристалл), они будут стремиться адсорбировать и агрегат на поверхности.Твердая поверхность обеспечивает зарождение площадка для образования кристаллов.

Рекристаллизация — перекристаллизация это процесс, который использовался для очистки твердых материалов путем растворения твердое вещество в подходящей жидкости, а затем Материал выходит из раствора в кристаллической форме.

насыщенный Раствор — Раствор, в котором растворено максимальное количество растворенных веществ в растворителе.

Семя кристалл — стартовая поверхность для растущего кристалла.

Форма кристалла — атомы в кристалле занимают позиции с определенными геометрические отношения друг к другу. Это структурное устройство его атомов. однозначно определяется химией вещества и определяет форму кристалла. В кристаллографии формы кристаллов можно сгруппировать в семь систем:
кубических Тетрагональный Шестиугольный Тригональный Орторомбический Моноклиника Триклиник
Более подробно они описаны в разделе «Действия». №5 — Фигуры и многогранники.

Растворимость — Максимальное количество растворенного вещества, которое может быть растворено в определенном объем растворителя при данной температуре известен как растворимость растворенного вещества. Растворимость растворенного вещества обычно увеличивается с увеличением повышение температуры.

Растворенное вещество — Растворенное вещество в растворе.

Решение — Равномерная смесь двух или более веществ.Например, сахар растворенный в воде раствор.

Растворитель — Жидкость, в которой растворено растворенное вещество. Растворитель выбор в этой лаборатории — вода.

Как выращивать кристаллы — Научные заметки и проекты

	Снежинки из кристаллов буры Эти милые снежинки легко сделать и вырастить за ночь.Из них получаются отличные праздничные украшения, и их можно хранить годами.
	Большой кристалл квасцов Кристаллы квасцов легко вырастить из простого кулинарного ингредиента. Крупные прозрачные кристаллы напоминают необработанные алмазы.
Кристаллы сахара	Выращивание каменных конфет или кристаллов сахара Большинство кристаллов, которые можно вырастить, выглядят красиво, но их нельзя есть. Самым большим исключением является леденец, состоящий из кристаллов сахара или сахарозы.Вы можете использовать любой сахар, который у вас есть под рукой, к тому же кристаллы легко поддаются окраске и вкусу.
Карбонат кальция (Christophe Delaere)	Кристаллы карбоната кальция Все, что вам нужно, это камень и немного уксуса, чтобы вырастить игольчатые призмы или разветвленные кристаллические папоротники. Чистый минерал бывает прозрачным или белым (арагонит), но вы получите цветные кристаллы, если вырастите кристаллы на камне.
Кристаллы соли (пончо чоба)	Как выращивать кристаллы соли Хотя кристаллы соли можно есть, они не так хороши, как леденцы. Ничего страшного, ведь на кубические кристаллы приятно смотреть! Вы можете использовать любой тип соли, и, возможно, вам понравится изучать различные варианты внешнего вида, которые вы получите, в зависимости от того, что вы используете. Соль не приобретает цвет, как сахар, поэтому ожидайте, что эти кристаллы будут прозрачными или белыми.
Сульфат меди (Stephenb)	Синие кристаллы сульфата меди Чтобы получить ярко-синий цвет этих кристаллов, краситель не нужен. Медный купорос легко найти, он естественно синий, и из него растут потрясающие кристаллы в форме бриллианта, похожие на драгоценные камни.Это хороший проект, если вы хотите вырастить большой монокристалл.
	Кристаллы Рошельской соли Кристаллы Рошельской соли — это большие прозрачные кристаллы, вырабатывающие электричество под давлением. Их легко вырастить из пищевой соды и зубного камня или из чистого химического вещества.
Кристаллы висмута (Dschwen)	Кристаллы висмута Для выращивания металлических кристаллов не нужно ничего растворять, и не нужно ждать результатов.Растопи висмут и увидишь радугу!
Кристаллы английской соли (Джейсон D)	Кристаллы английской соли Английская соль нетоксична и недорога. Из него получаются красивые кристаллы, которые легко окрашиваются пищевыми красителями.
	Чашка с хрустальными иглами Вырастите иглы с кристаллами английской соли в холодильнике в течение от нескольких минут до пары часов.
	Горячий лед или кристаллы ацетата натрия Сделайте ацетат натрия из пищевой соды и уксуса и используйте его для приготовления горячего льда.
	Имитация кристаллов изумруда Эти кристаллы моноаммонийфосфата выглядят как изумруды. Контролируйте условия выращивания и цвета, чтобы получить имитацию аметиста, цитрина и аквамарина.
	Выращивайте сад кристаллов на древесном угле Это классический проект кристаллов, в котором вы поливаете кирпич или угольный брикет смесью соли, воронения и уксуса. Однако вы можете вывести эти кристаллы на новый уровень, сделав сцену из картона.Подкрашивайте кристаллы пищевым красителем или маркером.
Adam Rędzikowski	Сделайте кристаллы нитрата калия Купите нитрат калия или селитру онлайн или как средство для удаления пней в магазине. Как и английская соль, это химическое вещество образует сверкающие кристаллические иглы сразу после охлаждения.
Хромовые квасцы (Ra’ike)	Фиолетовые кристаллы хромовых квасцов Выращивайте естественные фиолетовые кристаллы хромовых квасцов. Это химическое вещество, которое вы можете приготовить или найти в Интернете, растворяется в сине-зеленом растворе, но при этом образует потрясающие фиолетовые октаэдрические кристаллы.Если вы смешаете обычные квасцы с хромовыми квасцами, вы можете получить кристаллы от лаванды до глубокого аметиста.
	Прозрачные кристаллы хлорида кальция Выращивайте сверкающие шестигранные кристаллы хлорида кальция из химического вещества, которое можно найти в большинстве домов.
	Оранжевые кристаллы дихромата калия Выращивайте ярко-оранжевые кристаллы дихромата калия. Цвет натуральный, не требует красителей.
Пончо Чоба	Сине-зеленые кристаллы ацетата меди Выращивайте природные сине-зеленые кристаллы из ацетата меди.Это химическое вещество, которое вы можете получить, реагируя на уксус и перекись с монетами или медной проволокой, или вы можете найти чистое химическое вещество в Интернете. Эти кристаллы имеют интересную форму и великолепный цвет.
	Кристаллы с простой сменой цвета Свет и температура изменяют цвет этих кристаллов между желтым, зеленым и синим.
Eigenes Foto	Сделайте кулон из кристаллов штормового стекла Это похоже на кольцо настроения, за исключением того, что оно выращивает кристаллы различной формы, а не меняет цвет.Это действительно предсказывает ваше настроение? Наверное, нет, но все равно супер!
	Как заставить кристаллы светиться в темноте Узнайте, как заставить кварц и другие полупрозрачные кристаллы светиться в темноте. Этот метод основан на фосфоресценции, поэтому, когда кристалл подвергается воздействию света, он накапливает энергию и испускает ее в виде света разного цвета. Вы можете заставить кристалл расти всю ночь.
	Как вырастить черные кристаллы Не можете позволить себе черные бриллианты? Выращивайте твердые черные или полупрозрачные черные кристаллы, либо окрашивая жидкость для выращивания кристаллов, либо используя черную основу под прозрачными кристаллами.
Майк Борегар	Выращивание кристаллов серы Изучите два разных метода выращивания кристаллов серы. Эти кристаллы со временем самопроизвольно меняют форму.
Хрустальный цветок	Выращивание кристаллов, чтобы сохранить настоящий цветок На самом деле, вы также можете сохранить пластиковый или шелковый цветок, но где этот проект действительно сияет в сохранении настоящих цветов. Это может быть цветок с особого события или из вашего сада.Кристаллизация — это способ продлить его вечность.
	Кристаллы кленового сиропа Эти съедобные кристаллы представляют собой кристаллы сахара, которые растут из кленового сиропа. Вы можете использовать ту же технику для выращивания кристаллов кукурузного сиропа.
Жеода из кристаллов соли	Вырастите свою собственную жеоду из кристаллов В природе требуется тысячи лет, чтобы создать жеоду, но вы можете сделать ее за ночь. Ваша жеода будет состоять из настоящих кристаллов на настоящих минералах, плюс вы можете настроить цвет.
Светящаяся жеода	Сделайте светящуюся кристаллическую жеоду Добавьте простой ингредиент, чтобы превратить обычную кристаллическую жеоду в ту, которая светится в темноте или светится черным светом.
	Сердце из кристаллов буры Выращивайте хрустальные сердца для украшения ко Дню святого Валентина или для подарков друзьям и близким.
Хрустальное яйцо	Сделайте хрустальное яйцо Вырастите кристаллы на поверхности яйца для декоративного пасхального проекта или просто в качестве красивого украшения.Вы можете сначала выдолбить яйцо или вырастить кристаллы на сыром или вареном яйце. Если вы используете поваренную соль для кристаллов, вы можете съесть и хрустальное яйцо.
	Выращивайте кристаллы на морской звезде Кристаллизуйте морскую звезду для чтения, чтобы использовать ее для украшения или украшения. Нет морской звезды? Попробуйте ракушку или песочный доллар. Вы можете использовать любую из ряда обычных бытовых химикатов, чтобы добиться эффекта.
Максим Биловицкий	Выращивание натуральных красных кристаллов феррицианида калия Эти прекрасные кристаллы имеют естественный красный цвет.Цианид в химическом веществе связан с молекулой, поэтому он не представляет угрозы ни для образования кристаллов, ни для удаления остатков химического раствора.
	Borax Crystal Star Согните очиститель труб в форме звезды и покройте его кристаллами, чтобы получился сверкающий орнамент. Вместо того, чтобы окрашивать кристаллы, используйте переливающееся или мерцающее средство для чистки труб, чтобы звезда засверкала.
фото: Ude	Вырастите затравочный кристалл Вырастите затравочный кристалл, чтобы использовать его в качестве основы для создания идеального большого монокристалла.
Зеленая каменная конфета	Мои кристаллы не растут! Вот как это исправить. Если ваши кристаллы не растут, не сдавайтесь и не выбрасывайте химический раствор. Иногда все, что вам нужно, — это немного больше времени или изменить температуру жидкости. Есть и другие советы, которые помогут сохранить ваши кристаллы или улучшить процедуру, если вы решите начать все сначала.
	Как сохранить кристаллы Вы хотите, чтобы ваши кристаллы прослужили? Узнайте, как сохранить их для демонстрации или использования в украшениях.

Краткий обзор кристаллов и роста кристаллов

1. Кристаллы

Правильная геометрия поверхности и блестящий и часто красочный вид сделали кристаллы из царства минералов очаровательными объектами для всех. Природные кристаллы часто образуются при относительно низких температурах путем кристаллизации из растворов, иногда в течение сотен и тысяч лет.

В настоящее время кристаллы производятся искусственно, чтобы удовлетворить потребности науки, техники и ювелирных изделий.Возможность выращивать высококачественные кристаллы стала важным критерием конкурентоспособности наций. Специалисты по выращиванию кристаллов были перемещены с периферии в центр материаловедческих технологий.

Междисциплинарная наука о выращивании кристаллов развивалась с помощью научных журналов, конвенций и обществ. Сформированы международные сети лабораторий роста кристаллов и центров материаловедения. Кристаллические лаборатории работают в большом количестве, чтобы удовлетворить потребности исследований и технологий в высококачественных кристаллах всех видов, изготовленных по индивидуальному заказу.

«Новые материалы — это источник жизненной силы для исследований в области твердого тела и устройств. Вопреки тому, что многие считают, новые материалы обычно не открываются разработчиками устройств, теоретиками твердого тела или руководителями исследований; в основном они открываются кристаллохимиками, выращивающими кристаллы. Некоторые физические явления проявляются только в монокристаллах и могут быть изучены и поняты только в монокристаллах. Таким образом, производитель кристаллов — особенно если он разовьет навыки соотнесения структуры, связывания и других химиофизических соображений с интересующими свойствами — занимает ключевую позицию в определении направления и успеха исследований твердого тела и, в конечном итоге, технологий » ( Лаудис).

Рис. 1.1 Дефекты в кристаллической решетке

В качестве введения в основную тему выращивания, подготовки и определения характеристик кристаллов мы ответим на несколько часто задаваемых вопросов:

• Что такое кристалл?
• Какие критерии качества можно применять к кристаллам?
• Для чего нужны кристаллы?

Кристаллы — это твердые тела, в которых элементарные строительные блоки, атомы, расположены регулярно в пространственной решетке с определенными геометрическими элементами симметрии.Идеальной атомной решетки в природе не существует, да и пользы от нее нет. На рис. 1-1 представлены типичные дефекты кристаллической решетки / Шиллинг /. Определенные недостатки химического и структурного расположения атомов важны для полезности и ценности кристаллов.

Вакансии, например, позволяют атомам перемещаться по решетке в ходе твердотельных реакций. На рис. 1-2 показано схематическое изображение двух крайних случаев микроструктуры поверхности раздела роста: атомарно шероховатой и атомарно плоской, в терминах простой модели атомов куба.Атомно-шероховатые границы раздела коррелируют со многими металлическими системами, тогда как атомно-плоские границы раздела обычно встречаются в оксидных системах и связаны с макроскопически плоскими, кристаллографически хорошо ориентированными поверхностями или гранями. Атомно шероховатые границы раздела обеспечивают достаточное количество мест для прикрепления атомов из расплава во время роста, что соответствует относительно небольшим движущим силам или небольшому переохлаждению границы раздела. Атомарные присоединения к плоским или фасетным интерфейсам сложнее и требуют более высоких движущих сил и больших переохлаждений.

Большинство твердых тел состоит из множества монокристаллов разной ориентации, которые слипаются на «границах зерен». Связующие силы обычно меньше на границах зерен. Следовательно, на этих границах легче протекают химические реакции и процессы испарения, что делает их видимыми невооруженным глазом. Обычно монокристаллы содержат не только точечные дефекты, но и протяженные дефекты, а именно дислокации и дислокационные сетки.

Границы зерен и границы субзерен можно легко распознать при осмотре поверхности кристалла при различных направлениях освещения.На многие свойства кристаллов влияют дислокации и границы субзерен. Эти дефекты способствуют высокотемпературной ползучести и другим механическим свойствам. Обычно они окружены диффузионными полями точечных дефектов, поскольку они действуют как источники и приемники точечных дефектов и как места зарождения выделений всех видов. Следовательно, кристаллы без субзерен и даже без дислокаций необходимы для исследований твердого тела и для многих технических применений кристаллов. Наиболее радикальный метод избавления от дислокаций и дислокационных сеток — их полное устранение путем плавления и последующего роста кристаллов без дислокаций или с очень низкой плотностью дислокаций.Хотя дислокации термодинамически нестабильны, их нельзя полностью устранить только отжигом кристаллов.

Выращивание кристаллов с низкой плотностью дислокаций является сложной задачей, поскольку дислокации легко размножаются термическими напряжениями в процессе охлаждения почти идеальных кристаллов. Обработка почти идеальных пластичных кристаллов при комнатной температуре также затруднена, поскольку размножение дислокаций таких кристаллов может быть инициировано даже под действием их собственного веса и — особенно — механической или электрической обработкой.

Рис. 1-2: Микроструктуры поверхности

Мозаичную структуру в объеме толстых кристаллов легче всего изучить с помощью высокопроникающих монохроматических гамма-лучей от дешевых нейтронно-активированных золотых и иридиевых пластинок. Рис. 1-2 показывает пример. Начальные части кристалла CuAu, проанализированные в примере, характеризуются очень узким дифракционным пиком кривой качания, который указывает на высокое «совершенство» в этой области с низкой плотностью дислокаций и отсутствием «мозаичных блоков» или границ субзерен. .

В процессе роста кристалла плотность дислокаций увеличивалась из-за несовершенных процедур роста до тех пор, пока не образовалась сеть субзерен. Идеальные кристаллические области с кривыми качания «типа Фудзиамы» были заменены целым рядом «горных вершин» и, наконец, «холмистым ландшафтом», соответствующим широкому спектру субзерен с разной ориентацией.

В исследованиях и технологиях требуется много искусственных кристаллов с химическим составом из всех частей периодической системы с высокой химической и — в особых случаях — даже изотопной чистотой.Грубо говоря, царство искусственного кристалла можно разделить на три сектора.

1. Рис. 1-3: Кривые качания кристаллов с помощью дифракции гамма-лучей 410 МэВ

   Технические кристаллы относятся к одному из двух крупных секторов рынка монокристаллов. Они широко представлены, часто в скрытой форме. Мы едим кристаллы (соль, сахар), используем кристаллы в качестве часов в часах и компьютерах (кварц), для обработки и хранения информации (кремний), для коммутации телевизоров (арсенид галлия), для телекоммуникаций (арсенид галлия) и для транспорта. (лопатки турбин из никель-алюминиевых соединений).Огромные кристаллы соли (CaF2) используются в качестве линз ультрафиолетового излучения при субмикронном структурировании во время изготовления электронных устройств.

2. Ювелирные изделия составляют второй по величине сектор рынка монокристаллов. Рубины Верней были первыми искусственными кристаллами, которые выращивались в промышленных масштабах и использовались в производстве ювелирных изделий и в качестве подшипников в механических часах Falckenberg. Натуральные кристаллы обычно намного дороже искусственных кристаллов того же типа. Часто их можно отличить только изощренными методами характеризации, не очевидными невооруженным глазом.Чрезмерно высокая стоимость некоторых природных кристаллов была огромным стимулом для умных производителей кристаллов корректировать свои процедуры выращивания до тех пор, пока искусственные кристаллы не будут отличаться от естественных во всех деталях их микроструктуры.
3. Рынок исследовательских кристаллов относительно невелик, но чрезвычайно разнообразен. Искусственные исследовательские кристаллы высокого качества — это основа твердотельных исследований. Природные кристаллы обычно недостаточно пригодны для исследовательских целей.Кристаллы также необходимы для современных приборов для рассеяния света и частиц и дифракции в качестве монохроматора и детекторов. Для тонкопленочных, каталитических и электрохимических исследований требуется широкий спектр геометрически хорошо подготовленных кристаллов.

Серьезная работа в области твердого тела и материаловедения возможна только с помощью специализированных и интегрированных лабораторий по выращиванию кристаллов. На основе их профессиональных знаний о выращивании кристаллов и характеристике можно оптимизировать снабжение исследовательских групп исследовательскими кристаллами.Лаборатории выращивания кристаллов и компании, занимающиеся выращиванием кристаллов, являются частью международного сообщества по выращиванию кристаллов, которое за последние несколько десятилетий превратилось в чрезвычайно плодотворную сеть. Многие члены этой сети находятся на грани истребления по демографическим причинам. Эта важная основа всей твердотельной исследовательской деятельности требует ухода, чтобы предотвратить ее ухудшение.

Наконец, несколько замечаний могут быть уместными по поводу более эзотерических частей использования кристаллов, которые, кажется, распространяются и становятся весьма актуальными с экономической и духовной точек зрения.Есть учреждения, которые заявляют, что кристаллы обладают магическими свойствами, и все больше и больше людей склоняются к мнению, что кристаллы обладают способностью лечить болезни чистым контактом и защищать от зла. Это заблуждение подтверждается популярными мультсериалами по телевидению, в которых хорошие и опытные персонажи используют кристаллы для фокусов. Люди всех веков верили в силы, возникающие из кристаллов. Гесиод и Овидий соотносят разные эоны с металлами разной ценности.В своей известной научно-фантастической истории «Машина времени» Х. Дж. Уэллс упоминает горный хрусталь как неотъемлемую часть машины, которая используется для достижения 802 701 года в будущем.

Тема роста кристаллов прошла долгий путь от алхимических усилий до промышленного производства и даже международной научной политики, что иллюстрируется ростом кристаллов на орбитальных космических станциях и планами мании величия для институтов выращивания кристаллов: НАСА и ЕКА обнаружили рост кристаллов как извините за создание пилотируемых орбитальных космических станций (Космическая лаборатория) и думайте о росте кристаллов в «миллигравитации» как о чем-то значимом.Государство Австрии предлагало основать большой европейский институт выращивания кристаллов «EuroCryst» для улучшения промышленного и научного потенциала Европейского Союза.

2. Рост кристаллов

Искусственные кристаллы обычно выращивают путем контролируемых фазовых превращений из неупорядоченной «жидкой» фазы с высокой атомной подвижностью. Если сырье превращается в жидкость, газ или жидкость, достигается чистое состояние, в котором все воспоминания о прошлом гаснут, и атомные составляющие могут быть идеально смешаны с помощью тепловой или принудительной конвекции.

Процесс роста кристаллов может быть инициирован с помощью небольшого затравочного кристалла из того же материала, чтобы определить правильную кристаллографическую ориентацию и избежать сильного переохлаждения жидкой фазы, которое могло бы вызвать неконтролируемое зародышеобразование. Степени свободы, которыми обладает растущий кристалл в микроскопическом и макроскопическом масштабе, должны быть уменьшены в максимально возможной степени за счет надлежащей конструкции системы выращивания. В большинстве случаев кристаллы выращивают в температурном градиенте с использованием перегретой жидкости и переохлажденного кристалла, чтобы определить положение и геометрию границы раздела фаз.Лишь небольшая область жидкости переохлаждена вблизи границы раздела роста, чтобы обеспечить необходимую атомную движущую силу для кристаллизации. На рис. 2-1 и 2-2 показаны две наиболее важные процедуры роста объемных кристаллов: система Бриджмена и система Чохральского.

Рис. 2-1 Процедуры выращивания по Бриджмену объемных кристаллов

«Метод Бриджмена» основан на изобретении Таммана в Геттингене в начале века. Он использовал «метод градиентной заморозки», как его сейчас называют, при котором кристаллы можно выращивать путем направленной кристаллизации в области температурного градиента печи, средняя температура которой постепенно снижается.Бриджман добавил к этому методу Таммана механическое движение тигля. Другие, такие как Стокбаргер, внесли важный вклад в метод Бриджмена.

Метод Бриджмена дешев и прост, хотя ему мешает проблема тигля, мешающего процессу кристаллизации. В методе Чохральского кристалл извлекается из расплава путем кристаллизации верхней области мениска расплава. Растущий кристалл виден, и процесс роста можно проанализировать на месте.Механизм контроля, необходимый для правильного формирования мениска, делает метод довольно дорогим.

Искусственный рост кристаллов означает: кристаллизацию, контролируемую с учетом области применения кристаллов. Процесс управляемой кристаллизации можно разделить на семь частей:

1. Рис. 2-2: Система Чохральского для роста объемных кристаллов:

   Подавление случайного зародышеобразования в переохлажденных жидкостях для выращивания кристаллов с помощью затравочного кристалла с минимальным переохлаждением его границы роста, которого недостаточно для зародышеобразования где-либо еще.

2. Формирование поверхности раздела роста с использованием соответствующего температурного поля, которое перегревает жидкость и переохладает кристалл с правильной геометрией изотермы границы раздела роста.
3. Температурный градиент должен быть оптимизирован. Он должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить огранку на границе раздела и естественное переохлаждение жидкости вблизи границы раздела. При малых градиентах температуры скорость роста ограничивается условиями конституционного переохлаждения.Следует избегать слишком больших температурных градиентов, поскольку они приводят к большим термическим напряжениям, которые вызывают размножение дислокаций и образование субзеренных границ в горячих областях кристалла.
4. Макроскопическая скорость кристаллизации следует за движением изотермы роста, если скорость переноса атомов на границе роста может идти в ногу с этим движением. Ограничения на передачу атомов устанавливаются со скоростью роста метров в секунду. При обычных скоростях до нескольких сантиметров в минуту скорость роста ограничивается только нарушением формы плоской поверхности раздела из-за естественного переохлаждения.
5. Самый простой способ придать форму кристаллу — использовать метод Бриджмена. Проблемы могут возникнуть из-за контакта тигля с тройной фазовой границей. Метод Чохральского позволяет избежать этой проблемы, используя выращивание без тигля из мениска расплава. Форма мениска контролируется соотношением Гаусса-Лапласа между гидростатическим давлением, давлением газа и поверхностным натяжением из-за кривизны мениска. Изменяя перегрев жидкости, высота границы раздела роста изменяется с соответствующими изменениями гидростатического давления.
6. Химический состав растущего кристалла («стехиометрия») по существу фиксируется условиями термодинамического равновесия жидкой и кристаллической фаз. Это равновесие графически представлено фазовой диаграммой. Детальное знание фазовой диаграммы необходимо для проектирования любого процесса роста. Неоднородности могут возникать в закрытых системах, в которых состав жидкости и кристаллической фазы различен в микроскопическом и макроскопическом масштабе (явления макро- и микросегрегации).Этих проблем можно избежать, создав резервуар для подачи материала с постоянным составом, что возможно при использовании двойного тигля, плавающей жидкой зоны или методов горячей стенки.
7. Контроль микроструктуры — самая сложная задача в процессе роста кристаллов. Средняя концентрация и пространственное распределение точечных дефектов, агрегатов дефектов, нежелательных примесей, сегрегация дополнительных фаз довольно сложным образом зависят от фазовых соотношений и температурно-временной зависимости кристалла.Часто единственным средством оптимизации микроструктуры является отжиг кристаллов после выращивания.
8. Для кристаллов того же качества выращивание кристаллов может быть дешевым или дорогим, в зависимости от степени изобретательности участвующего в выращивании кристаллов. Реалистичная оценка требований к качеству, опыта и дисциплины производителя кристаллов имеет важное значение для оптимизации затрат на выращивание кристаллов. Будущее целых компаний зависит от выбора наименее дорогостоящего способа производства кристаллов для рынка.Исследовательские институты, возможно, были менее осторожны в прошлом, хотя времена чрезмерных расходов на кристаллы низкого качества, что особенно верно для кристаллов, выращенных в орбитальных лабораториях, прошли.

3. Пробоподготовка

Процесс пробоподготовки многогранен. Он начинается со строительного плана материала, который графически отображается на фазовой диаграмме. На рис. 3-1 в качестве примера показана фазовая диаграмма системы Al-Ni. Такие диаграммы могут использоваться теми, кто не имеет базовых знаний или не интересуется термодинамикой.Без термодинамики сложнее правильно понять системы твердое тело-газ. На рис. 3-2 в качестве примера представлены различные формы фазовой диаграммы Ag-O. В настоящее время это важно для технического развития высокотемпературных сверхпроводников, а также для многих других материалов, связанных с серебром.

Существует множество компиляций фазовых диаграмм, доступных в литературе, в книгах, компьютерных сборниках и в Интернете. С ними нужно обращаться осторожно. В большинстве случаев необходимо ознакомиться с оригинальной публикацией, чтобы получить представление о достоверности диаграммы.Рис. 3-1, например, опубликованный известными физиками-металлургами, содержит ошибки на стороне, богатой никелем: Ni3Al представляет собой перитектическую фазу, которая выходит из жидкой смеси во время охлаждения на стороне эвтектики, богатой никелем, а не — как показано на схеме — на стороне с высоким содержанием алюминия. Кроме того, в Ni3Al существует трансформация порядка и беспорядка, которая не была учтена при построении диаграммы.

Примеры производственных процессов можно разделить на несколько взаимосвязанных частей:

Фиг.3-1: Фазовая диаграмма бинарной системы Al-Ni

• Подготовка сырья. Производство чистых материалов, иногда изотопной чистоты. В основном это делают компании, специализирующиеся на очистке.
• Синтез поликристаллического сырья заданного химического состава. На этом этапе очень полезны методы с использованием холодных тиглей, если не удается найти горячие инертные тигли.
• Рост кристаллов
• Послеростовая обработка, особенно обработка отжигом Рис.3-3 представлен пример информации, необходимой для этого шага, в виде графиков преобразования время-температура, которые описывают кинетику твердотельных реакций.
• Формование кристаллов механической распиловкой, искровой или электрической эрозией или химической эрозией.
• Использование по назначению в качестве исследовательского или строительного материала в технике и ювелирных изделиях.

На каждом этапе требуются характеристики материалов и процессов. Часто этапы формования и пост-ростовая обработка сложнее, чем процесс выращивания кристаллов.

Рис. 3-2: Фазовые диаграммы Ag-O

Качество кристалла зависит от его использования. Многие пользователи кристаллов предъявляют чрезмерные требования к качеству, которые часто не оправдываются с учетом того, как кристаллы используются в экспериментах или устройствах. Другая крайность не редкость: использование неквалифицированных образцов для сложных экспериментов.

Оценки качества и определения качества должны быть должным образом адаптированы к требованиям пользователя, чтобы избежать дорогостоящих завышенных или заниженных оценок требуемого качества.Решить эту проблему можно только с помощью местных специалистов по выращиванию кристаллов. Поэтому кристаллические лаборатории незаменимы для твердотельных исследовательских институтов, даже если часть образцов закупается на рынке.

Рис. 3-3: Проекция в направлении давления для P (O2)

Рис. 3-4: Стереографическое изображение фазовых соотношений Ag-O в координатах xO-T-P

Рис 3-5:

На рынке доступно сырье достаточно высокой чистоты.Поэтому определение содержания микропримесей обычно не составляет труда, за исключением легких примесей, таких как водород, углерод и кислород. Не требуется высокой точности. Прецизионный стехиометрический анализ большинства компонентов немонокомпонентных кристаллов относится к наиболее сложным задачам аналитической химии, поскольку требуется очень высокая точность. Химический анализ с высоким пространственным разрешением — задача Сизифоса.

4. Будущие аспекты

Нет тенденции к насыщению или снижению требований к объемным кристаллам в исследованиях и технологиях.Многие кристаллы еще не выращены, потому что еще не обнаружены надлежащий состав и зародыши. Новые материалы появляются постоянно. Два примера — высокотемпературные сверхпроводники и квазикристаллы. Большинство регионов кристального мира до сих пор неизвестны, даже в царстве природы. Мир промышленных кристаллов характеризуется огромным рыночным толчком к увеличению размеров и качества и снижению стоимости. Нет никаких указаний на то, что работы для лабораторий и компаний по выращиванию кристаллов заканчиваются.

5. Замечания и подсказки для дальнейшего чтения

Бом, Дж .:

Исторические заметки, Crystal Research and Technology 16 1981 275-292

Steno 1669: концепция элементарной ячейки

Гульельми 1688: Корреляция шае — химический вид.

17. Jh. «Кристалл, кристаллизация»

Кеплер: атомные модели снежных кристаллов, Abhandlung über «Nix», Haüy 1784,

Бойль, Нептунисты (водные растворы) ссорятся с плутонистами (высокотемпературные явления)

Бойль: нематериальные силы, возникающие из кристаллов

1900 Гиббс: пионер термодинамики

Рост кристаллов становится индустриальным: Верней, Джева, Биттерфельд: Руби Сапфир

Тамманн Бриджман Чохральски: пионеры выращивания кристаллов

Капица: обращается к горизонтальному методу Бриджмена для кристаллов, расширяющихся при кристаллизации.

Принципиально неправильный взгляд на процесс кристаллизации в атомном масштабе Накен-Киропулос

50-е годы: Бертон-Кабрера-Франк: спиральный рост, шероховатость линий и поверхностей дислокаций

Hartmann-Perdok: PBC Vectors

Чалмерс, Раттер, Тиллер, Джексон: конституциональное переохлаждение

Бом, Дж .:

Realstruktur von Kristallen, E Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlg Stuttgart 1995

Brice, J.C .:

Процессы выращивания кристаллов, Блэки, Глазго, 1986.все аспекты роста кристаллов. См. Также: Х. Аренд и Дж. Халлигер, Рост кристаллов в науке и технике, ред., Пленум и НАТО 1989

Кан, Роберт В. и Эрик Лифшин, редакторы:

Краткая энциклопедия характеристик материалов, Pergamon Press, Oxford 1993

Чалмерс, Б . :

Принципы затвердевания, Wiley New York 1964

Р. Фалькенберг (1978):

Процесс Верней. В кн .: Рост кристаллов, теория и методы.Vol. 2. (Эд: Гудман) Plenum Press, Нью-Йорк, 109–184. Углубленный обзор процесса Вернейля

Fromm, E. und Gebhardt E., Herausgeber:

Gase und Kohlenstoff в Металлен, Шпрингер, Берлин, 1976 г. Чрезвычайно ценный источник информации

Hurle, D.T.J. Издатель:

Справочник по выращиванию кристаллов, Северная Голландия, Амстердам, 1993–1995. Несколько томов, охватывающих все аспекты роста кристаллов. Незаменим!

Журналы для производителей кристаллов, небольшой выбор:

Журнал роста кристаллов

Crystal Research and Technology

Журнал фазового равновесия

Zeitschrift Fuerr Metallkunde

Фазовые диаграммы и термодинамические параметры:

Предель Б., Полоса Ландольта-Бернштейна 5: Фазовые диаграммы, кристаллографические и термодинамические свойства бинарных сплавов, Springer 1995

Массальский, Т. Б., ред .: Фазовые диаграммы бинарных сплавов, ASM Metals Park, 1986

TAPP: данные о термохимических и физических свойствах (через GTT) Компьютерный пакет ChemSage с SGTE — банк данных (Scientific Group Thermodata Europe), GTT Herzogenrath: http://gttserv.lth.rwth-aachen.de/~sp/tt/

Справочник Пирсона по кристаллографическим данным интерметаллических фаз:

П.Виллар и Л. Калверт, ASM, Metals Park, 1985

Джексон, К.А .:

Кинетика роста кристаллов, В: Материаловедение и инженерия 65 1984 7-13; микроструктура затвердевания: 30 лет «конституционного переохлаждения»

Рафф Томас:

Die Sprache der Materialien. Anleitung zu einer Ikonologie der Werkstoffe. Kunstwissenschaftliche Studien, Band 61. Dt. Художественный музей Мюнхена 1994

Рёслер, Ханс Юрген (1991):

Lehrbuch der Mineralogie. Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, Лейпциг. 844 Seiten. История минералогии, ценная информация для производителей кристаллов

Шиллинг, Вт .:

Fehlordnung in Kristallen, in Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, herausgegeben von W. Raith, de Gruyter Berlin 1992

Schönherr, E .:

Выращивание кристаллов, в: Энциклопедия прикладной физики, ВЧ 1992, С.335-363 Методы исследования металлов, Р.Ф. Буншоу, изд., Wiley, NY, 1968. Не новинка, но все же полна ценной информации

Культиватор, W. A .:

Наука кристаллизации, Vol. 1: Микроскопические межфазные явления, Vol. 2: Макроскопические явления и генерация дефектов, Кембриджский университет. Press, Cambridge, 1991. Один из пионеров науки о росте кристаллов обсуждает до сих пор не совсем понятную проблему образования дислокаций и роста поликристаллов, например

Weibel, макс .:

Edelsteine ​​und ihre Mineraleinschluesse, ABC Verlag Zuerich

Вильке, К.-Th. унд Дж. Бом:

Kristallzuechtung, VEB Dt. Verlag der Wissenschaften, Берлин 1988. Подробное обсуждение всех аспектов выращивания кристаллов, библиография!

Лучшие условия для выращивания кристаллов

Выращивание кристаллов дает учащимся и детям возможность узнать о геологии и о том, как кристаллы и горные образования образуются на протяжении тысяч лет. Они также могут поэкспериментировать, чтобы увидеть, как разные материалы (сахар, соль и квасцы) образуют разные виды кристаллов, а также использовать различные основы (пряжу, средства для чистки труб, бамбуковые шпажки), чтобы увидеть, как они влияют на рост кристаллов.Однако без правильных условий ваши кристаллы могут вообще не расти. Хотя кристаллы не требуют особого терпения, есть определенные вещи, которые вы можете сделать, чтобы ваши эксперименты увенчались успехом.

Перенасыщенные растворы

Независимо от того, какой материал вы выберете, ваша вода должна быть перенасыщена им для роста кристаллов. Это означает, что вы должны растворить в воде как можно больше выбранного материала. Материалы растворяются быстрее в теплой воде, поэтому она работает лучше, чем в холодной, поскольку в теплой воде молекулы движутся больше.Просто вливайте по одной ложке материала в теплую воду и энергично перемешивайте, пока он не исчезнет. Когда ваши материалы больше не исчезают и не оседают на дне вашей банки, вода становится перенасыщенной и готова к работе.

Основа из пористых кристаллов

Пористые материалы лучше всего работают в качестве основы для легкого роста ваших кристаллов. Воздушные пространства позволяют растворенному материалу занять большую поверхность на материале основания и привлечь больше растворенного материала, поскольку вода испаряется и оставляет твердые кристаллы.Грубые бамбуковые шпажки, пряжа, нитки, палочки для мороженого, средства для чистки труб и даже ткани очень хорошо подходят в качестве основы для хрусталя. Карандаши, скрепки и другие очень гладкие и плотные материалы не подойдут, потому что кристаллам не за что цепляться. Нейлоновая нить и леска работают только в том случае, если вы привяжете к концу кристалл с кристаллами; даже тогда кристалл будет расти в одном месте, а не взбираться по материалу.

Теплая и светлая атмосфера

Поскольку тепло является ключом к образованию кристаллов, для оптимального роста кристаллов окружающая среда в сосуде должна быть теплой.Теплый воздух способствует испарению воды, в результате чего кристаллы растут быстрее. Кристаллы по-прежнему будут расти при более низких температурах, но для испарения воды потребуется гораздо больше времени. Для роста кристаллов тоже нужен свет. Опять же, кристаллы со временем вырастут в темноте, но это займет очень много времени. Свет испаряет воду так же, как тепло; Совместите их, поставив банку на теплый солнечный подоконник, и через несколько дней у вас будут кристаллы.

.