Как выращивают кварц?

В обычных условиях из растворов хорошо растут кристаллы тех веществ, у которых достаточно велика растворимость. А как быть с веществами, которые не хотят растворяться, например с кварцем? Так как же тогда выращивают кварц?

А как быть с веществами, которые не хотят растворяться, например с кварцем? Так как же тогда выращивают кварц?

Кварц – это, пожалуй, самый распространенный на Земле минерал. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон – все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца – это горный хрусталь, т. е. прозрачные кристаллы кварца. У горного хрусталя есть ряд замечательных физических свойств. Прежде всего он прозрачен – прозрачен не только для видимого света, но и для невидимого ультрафиолетового. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и другие детали оптических приборов. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это – пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Существует и обратный пьезоэлектрический эффект: если приложить к пьезоэлектрическому кристаллу электрическое поле, кристалл сжимается или растягивается (в зависимости от направления поля).

Много кварца на Земле, очень много, и все же природный кварц не может обеспечить нужды техники. Для оптических, электрических, акустических приборов нужны высокосовершенные, идеально однородные кристаллы кварца, а такие в природе чрезвычайно редки. В земной коре природа выращивает чудесные кристаллы кварца из горячих минеральных растворов. Нельзя ли и в лаборатории попробовать вырастить кварц из раствора? Однако, в обычных условиях кварц не растворяется ни в воде, ни в сильных растворителях, даже в кислотах. Из растворов можно кристаллизовать те вещества, у которых достаточно велика растворимость.

Чтобы увеличить растворимость, можно подобрать лучший растворитель или повысить температуру. У большинства веществ растворимость растет при повышении температуры. У водных растворов при обычных давлениях нельзя поднять температуру выше 1000С – вода закипит и испарится. Однако предотвратить кипение и испарение можно, если повысить давление. Так приходим к методу кристаллизации из растворов при повышенных температурах и давлениях – к гидротермальному синтезу кристаллов.

Гидротермальным методом выращивают теперь кристаллы кварца практически любых размеров, идеально чистые и однородные, несравненно более чистые, однородные и совершенные, чем природный кварц.

В этом методе выращивания кварца кристаллизаторами служат громадные цилиндрические сосуды из стали или специальных жаропрочных сплавов, которые могут выдержать и сильный нагрев, и высокие давления, и разъедающее действие растворителей. Кристаллизация ведется в герметически закрытых сосудах – автоклавах высотой до 5–6 метров и диаметром до 2–3 метров.

Автоклав заполняют щелочным растворителем, например водным раствором каустической соды. На дне автоклава находится исходное сырье для кристаллизации. Сырьем здесь служит природный микрокристаллический кварц, не пригодный ни для каких изделий. В верхней части автоклава подвешивают на стальных рамах затравки – тонкие пластинки, выпиленные из хорошего кристалла кварца, природного или искусственно выращенного. Автоклав герметически закрывают специальными затворами и нагревают, причем между дном, где лежит сырье, и верхней частью, где висят затравки, создают перепад температур: на дне температура больше, чем наверху. От нагревания раствор расширяется, уровень его поднимается, давление в герметически закрытом сосуде растет. При температурах 300–3500C и давлениях до 2 тысяч атмосфер размельченный кварц на дне сосуда растворяется в горячем щелочном растворителе и потоки раствора поднимаются кверху; остывая в верхних, менее нагретых участках автоклава, потоки подходят к затравкам уже пересыщенными – и на затравках начинают расти кристаллы.

Пластинка свободно подвешена в растворе, ни соседние кристаллы, ни стенки автоклава ей не мешают, и на затравке вырастает великолепно ограненный кристалл кварца. Растет он со скоростью порядка десятых долей миллиметра в сутки. Весь цикл выращивания таких кристаллов длится месяцами, до полугода!

А главное, в чем человек превзошел природу, – это в совершенстве выращенных им кристаллов. По однородности, прозрачности, совершенству структуры они намного лучше природных.

В последние годы гидротермальным методом выращивают кристаллы очень многих веществ. Для нужд техники так растят не только кварц, но и сапфир, рубин, слюду, гранаты, изумруд, топаз и многие другие кристаллы, не существовавшие ранее в природе.

Инструменты