Реховот

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

Немного истории

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

Многогранники и симметрия

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

Тайна природы кристаллов

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

Дальнейшее развитие кристаллографии пошло по трем руслам:

1. Изучение атомного строения кристаллов.

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

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

Искусственные кристаллы

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

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

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

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

Как же получают (выращивают) кристаллы

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

Рост из газовой фазы

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

Рост из растворов

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

Израиль, Реховот, июнь, 2009 г.

Copyright © доктор В. Ляховицкая  

Выращивание кристаллов рубина в домашних условиях доступно для всех желающих. Для работ не потребуется оборудованная лаборатория, получение теоретических и практических знаний в области минералогии, покупка специальных химических реактивов. Все необходимое найдётся на кухне.

Начинать выращивание рубинов советуют с небольших объёмов. Сначала приобретается опыт, понимается весь процесс, а затем уже начинается непосредственная систематическая работа. Синтетическое создание собственных рук не будет уступать в красоте и привлекательности природным минералам. Камни пользуются спросом у ювелиров, поэтому удачный опыт может принести дополнительный доход, если найти рынок сбыта.

Способов выращивания несколько. Советуют попробовать все варианты, затем остановиться на понравившемся.

Искусственные драгоценные породы, созданные человеком, по химическому содержанию и физическим свойствам не от натуральных. Преимущество домашних технологий в том, что они позволяют создать идеально чистые породы. В природе такое случается крайне редко. Ювелирные качества лабораторных образцов довольно хорошие. Другой плюс минерала – стоимость. Камни дешевле, чем их оригиналы, зарождающиеся в глубоких шахтах.

Органические соли

Вырастить кристалл рубина легко из различных солей:

• медного купороса;
• алюмокалиевые квасцы;
• обычная соль.

Самый длительный процесс на основе соли, самые красивые образцы получают из купороса. Производство кристаллов рубина строится по следующим этапам:

1. Подготовка ёмкости. Она должна держать соль и насыщенный водно-солевой раствор. Берут горячую воду. Процесс постепенный. Две столовые ложки разводят водой, тщательно перемешивают. Затем добавляется соль и перемешивается. осыпать нужно до тех пор, пока соль не перестанет растворяться. Для соблюдения пропорций берут подсказку: таблицу растворимости разных солей в 100 мл воды, их взаимосвязь с температурой жидкости.
2. Фильтрация раствора. Раствор должен быть чистым. Грязевые примеси испортят структуру камня. В нём будут видны дефекты. Раствор остаётся на 24 часа. За этот период на дне ёмкости образуются кристаллы. Они станут основой рубина.
3. Рост искусственного минерала. К образовавшемуся на дне стакана камню привязывается леска. Она наматывается на карандаш или деревянную палочку. Приспособление устанавливается на ёмкости. Кристалл находится в растворе, в подвешенном состоянии. Вода имеет свойство испаряться, насыщенный солевой раствор выделяет излишки, которые закрепляются на получаемом образце.
4. Добавление раствора соли. Воды всегда нужно определённое количество, если её станет мало, кристалл перестанет расти. При нормальной комнатной температуре добавление воды проходит один раз в 2 недели.

Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но, оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Много лет назад люди научились выращивать искусственные кристаллы и теперь широко используют их в украшениях. Я тоже решила попробовать вырастить кристаллы в домашних условиях.

Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Много лет назад люди научились выращивать искусственные кристаллы и теперь широко используют их в украшениях. Я тоже решила попробовать вырастить кристаллы в домашних условиях.

Методы исследования: создание условий для выращивания искусственных кристаллов, наблюдение за ростом кристаллов.

Результат исследования.

Через 3 дня в стаканах с насыщенным раствором медного купороса и поваренной соли на конце ниточки начали расти кристаллы.

Через две недели я вынула нитку с кристаллами поваренной соли. Получились интересное ожерелье из кристаллов.

А ещё через две недели получился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень.

Мой опыт показал, что некоторые вещества, такие как соль и медный купорос, хорошо кристаллизуются в самых простых условиях, поэтому дают возможность вырастить у себя дома искусственные кристаллы. Получив уникальное украшение, любой девочки будет приятно продемонстрировать свою «драгоценность». А его местонахождение пусть станет маленьким секретом.

Однажды я посмотрела удивительную передачу о кристаллах. Из неё я узнала, что природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. Моя мама, как и многие женщины, любит украшения. Но оказывается, красивые камни в них – искусственные. Мама объяснила мне, что настоящие камни очень дорогие и не каждому доступны по цене. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими. В природе кристаллы образовываются в течение миллионов лет, в глубине земной коры, при высоких температурах (до 2000 °С) и под колоссальным давлением сотни тысяч атмосфер. Мест, где есть такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней, а следовательно и их стоимость.

Всю историю своего существования люди пытались обрести чудо, например, получить из свинца золото или превратить горный хрусталь в бриллианты. Этим занимались алхимики. Самым легендарным алхимиком считается француз Николя Фламель, которому приписывают получение философского камня, способного превратить свинец в золото. Создание оптимальных условий для роста и развития кристаллов обеспечивает их получение за короткие сроки.

С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения.

Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани.

До сих пор в мире рубины, сапфиры и гранаты пользуются большим спросом. Сапфировые стекла, например, необходимы для производства иллюминаторов космических кораблей, головок самонаводящихся ракет, мобильных телефонов и часов. Большой популярностью пользуются и искусственно выращенные алмазы. Благодаря своей повышенной твёрдости, они используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. Алмазы применяют на операциях резки, полирования, шлифования и сверления. Благодаря синтетическим рубинам стал возможен ряд открытий. Например, на основе рубина был изобретен лазер, позволивший точно измерить расстояние от Земли до Луны.

Рост кристаллов из водных растворов происходит при достижении концентрации перенасыщения, при этом из раствора осаждается растворенное вещество. Концентрация перенасыщения достигается разными путями:

– снижение температуры водных растворов (основан на том, что, как правило, растворимость веществ в водных растворах с температурой возрастает, таким образом, при снижении температуры во всем объеме кристаллизатора достигаются условия перенасыщения и из раствора начинают выпадать кристаллы);

– испарение растворителя (схож с предыдущим, однако перенасыщение раствора достигается испарением воды);

В наше время большой популярностью пользуются искусственно выращенные алмазы, изумруды. Они ценится исключительно из-за своей редкости, а также небольших объемов производства. Не менее ценным для ювелиров стал гранат зеленого и розового цветов. Практически все виды кристаллов синтезируют и в России. В подмосковном Троицке выращивают алмазы, в Зеленограде - сапфиры, гранаты, рубины, под Нижним Новгородом - рубины, в Новосибирске - изумруды.

Из выше перечисленного видно, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный и важный для современной жизни процесс. Я тоже решила вырастить кристаллы в домашних условиях.

Цель: вырастить искусственные кристаллы в домашних условиях.

1. Дома создать условия для выращивания кристаллов.

2. Пронаблюдать, за какое время можно вырастить искусственный кристалл.

Ожидаемый результат.

Проводя данное исследование, хочу убедиться, что в домашних условиях можно вырастить некоторые кристаллы.

Методика исследования

Создание условий для выращивания искусственных кристаллов.

1. Возьмём стеклянный стакан с горячей водой и понемногу насыплем медный купорос, перемешаем. Добавляем купорос до тех пор, пока он не перестанет растворяться при перемешивании.

2. Возьмём карандаш, на который посередине прикрепим ниточку с крупным кристаллом медного купороса на конце

3. Опустим нитку так, чтобы кристаллик был погружён в раствор. Получим «затравку», на которой и будет расти будущий кристалл.

4. Возьмём другой стеклянный стакан с горячей водой и понемногу насыплем туда поваренную соль, перемешаем. Добавляем соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться при перемешивании.

5. Опустим в стакан карандаш с «затравкой» (крупным кристаллом поваренной соли)

6. Стаканы с растворами поставим в тёплое место в открытом виде.

Наблюдение за ростом кристаллов.

1. Через 3-4 дня посмотрим на изменения в кристаллах.

2. Пронаблюдаем за кристаллами в течение месяца, изменения зафиксируем при помощи фотоаппарата.

Результат исследования.

Через 3 дня в стаканах с насыщенным раствором медного купороса и поваренной соли на конце ниточки начали расти кристаллы. Через две недели я вынула нитку с кристаллами поваренной соли. Получились интересное белое ожерелье А ещё через две недели получился кристалл медного купороса, похожий на драгоценный камень

Искусственные кристаллы я аккуратно обсушила бумажной салфеткой и покрыла слоем бесцветного лака, так как при взаимодействии с воздухом кристаллы погибают.

Заключение.

Исследуя данный вопрос, я убедилась, что некоторые кристаллы можно выращивать дома. Мне удалось создать условия, при которых кристаллики поваренной соли и медного купороса стали расти, и превратились в уникальные камни. Искусственные кристаллы очень похожи на натуральные. Я считаю, что они тоже драгоценные, но не потому, что дорогие, а потому, что выращены своими руками.

В настоящее время в России выращивают почти все виды кристаллов. О данном производстве будет интересно узнать на уроках природоведения, кубановедения, географии, трудового обучения. Я убедилась, что выращивание искусственных кристаллов очень увлекательный процесс. Уверена, что каждый захочет попробовать вырастить у себя дома это чудо.

Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

Целенаправленное создание искусственных кристаллов минералов связано с именем французского химика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат - 0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попытки получения искусственных рубинов, и уже в конце XIX в. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французский химик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, позже сапфиры и шпинели.

Несколько позже были синтезированы кристаллы многих драгоценных камней, нашедшие наряду с природными широкое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и в промышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.

В последние полвека в связи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастает потребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими как пьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные, оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуются кристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты не обладают. Все это способствует становлению промышленного выращивания искусственных кристаллов.

Работы по теории и практике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научных исследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности в природных условиях.

Моделирование природных процессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить ряд причин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.

Список используемой литературы

1. Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. М.: Альфа-М, 1989. - 156 с.

2. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник. - М.: КДУ, 2005. - 592 с.

3. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. М.: ГОСГЕО - ЛТЕХИЗДАТ, 1955г. - 215с

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

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

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

Самоорганизующаяся материя

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

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

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

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

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

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

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

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

Каменное богатство

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

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

Рожденные в ФИАНе

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

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

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

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

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

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

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