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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(Visited 1 333 times, 1 visits today)

Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» - 2016

Естественные науки (от 8 до 10 лет)

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Щербаков Савелий, 8 лет

ученик 1-го класса

Руководитель работы:

Введение............................................................................................... 3

Глава 1. Что такое кристалл................................................................. 4

1.1. Понятие кристалл, его виды…………………………….…….4

1.2. Где применяют кристаллы................................ ….……...6

Глава 2. Выращивание кристаллов в домашних условиях.............. 7

2.1. Анкетирование одноклассников по теме работы............. 7

2.2. Практическая часть работы………...………….….....………..8

Заключение.......................................................................................... 10

Список использованной литературы................................................ 11

Приложение………………..……………………………………...………12

Введение

Актуальность исследования состоит в том, что выращивание кристаллов – увлекательное занятие и, пожалуй, самое доступное для юных физиков.

Кто из нас не любовался формой и цветом драгоценных камней , идеальной и неповторимой формой снежинок? В чем причина этой красоты и удивительно точной формы?
Давно было замечено, что некоторые твердые тела встречаются в природе в виде кристаллов – тел, грани которых представляют собой правильные многоугольники. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаник и известняк – кристалличны.

Цель нашего исследования – научится выращивать кристаллы медного купороса.

Для достижения данной цели нам нужно решить следующие задачи:

1. Узнать, что такое кристаллы;

2. Изучить процесс выращивания кристаллов;

3. Вырастить кристалл из медного купороса.

Гипотеза: мы предполагаем, что кристаллы медного купороса можно вырастить дома.

Объект исследования: кристаллы.

Предмет исследования: выращивание кристаллов медного купороса.

Методы исследования:

- теоретический: изучение информационных источников;

- эмпирический: анкетирование, проведение эксперимента;

- математический : наблюдение и обобщение полученных данных.

Глава 1. Что такое кристаллы

Кристалл - это твердое тело природного происхождения либо образованное в лабораторных условиях, имеющее форму правильного многогранника. Правильность формы кристалла основана на его внутренней структуре – частицы вещества, из которых слагается кристалл (молекулы, атомы и ионы), располагаются в нем в определенной закономерности и образуют периодично-повторяющуюся трехмерную пространственную укладку, иначе называемую «кристаллической решеткой».

1.1. Понятие кристалл, его виды

В природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Поверхность таких фигур ограничена совершенными плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины.

Виды и типы кристаллов

Ученые, занимающиеся изучением кристаллов, различают такие понятия, как «кристалл идеальный» и «кристалл реальный».

Идеальный кристалл - это некая абстрактная математическая модель кристалла, в которой ему приписывается абсолютно правильная форма, соответствующая его кристаллической решетке, полная симметрия и идеально ровные грани. Проще говоря, идеальный кристалл - это кристалл с полным набором всех качеств, свойств и характеристик, присущих данному виду кристаллов.

Реальный кристалл – это тот кристалл, что существует в действительности. В отличие от идеального, у него имеются некоторые дефекты внутренней структуры, грани его не безупречны, а симметрия понижена. Но при всех этих недостатках в реальном кристалле сохраняется то главное свойство, которое и делает его кристаллом – частицы в нем располагаются в закономерном порядке.

Понятие “жидкий кристалл”

Всё чаще мы стали встречаться с термином “жидкие кристаллы”. Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с таким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

Происхождение кристаллов:

· Природные (натуральные) кристаллы зарождаются и вырастают в недрах Земли в течение длительного времени в условиях сверхвысоких температур и огромного давления.

· Искусственные кристаллы люди научились выращивать не только в лабораториях, но даже в домашних условиях.

Самые большие кристаллы были обнаружены в 2000 году в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину - 1 метр. Известен своими гигантскими, метровыми, кристаллами сподумен, в 1914 году было опубликовано сообщение, что в руднике Этта, Южная Дакота некогда был найден кристалл сподумена длиной 42 фута (12,8 м) и весом 90 тонн.

1.2. Где применяют кристаллы

Потребность в кристаллах в мире очень высока. Десятки тысяч тонн разнообразных кристаллов выращиваются ежегодно.

Область применения кристаллов очень велика:

1. В компьютерах и мобильных телефонах;

2. Аудио - и видеотехника;

3. Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации;

4. Кристаллы применяются для трансформации одного вида энергии в другой;

5. Кристаллы нужны для создания когерентных и управления лазерным излучением;

6. Великолепие кристаллов издревле вдохновляет людей на создание красивейших ювелирных украшений и декоративных изделий;

7. Кристаллы необходимы для обработки поверхностей;

8. Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

Глава 2. Выращивание кристаллов в домашних условиях

Выращивание кристаллов – процесс очень интересный, но бывает достаточно длинным.

2.1. Анкетирование одноклассников по теме работы

Перед тем, как начать практическую часть работы, нам стало интересно – а что мои одноклассники знаю о кристаллах.

Нами была составлена анкета, которая включала в себя следующие вопросы:

1. Случалось ли Вам слышать слово кристалл?

2. Какие кристаллы Вам знакомы?

3. Можно ли кристаллы вырастить дома?

В опросе принимали участие 23 ученика нашего класса.

На 1 вопрос «Случалось ли Вам слышать слово кристалл» 20 ребят ответили «да», а 3 – «нет». Данные приведены в Приложение 1.

На 2 вопрос «Какие кристаллы Вам знакомы» 19 ребят ответили изумруд и бриллиант, 18 – алмаз и 16 - рубин. Данные приведены в Приложение 2.

На 3 вопрос «Можно ли вырастить кристаллы дома?» 15 ребят ответили «да», а 8 – «нет». Данные приведены в Приложение 3.

Изучаю полученные данные, можно сделать вывод, что многие ребята нашего класса знакомы с понятием кристалл и знают, что можно вырастить кристаллы в домашних условиях.

2.2. Практическая часть работы

Самостоятельно вырастить кристаллы можно из следующих веществ:

Ø соль поваренная;

Ø соль поваренная с добавлением раствора бриллиантовой зелени (зеленки);

Ø соль морская;

Ø медный купорос;

Ø железный купорос.

Для нашей работы мы выбрали медный купорос.

Медный купорос относится к веществам, кристаллы которого легко вырастить в домашних условиях. Выращивание кристаллов медного купороса - процесс, не требующий какого-то особенного оборудования и специальной технической подготовки.

Весь процесс выращивания можно разделить на несколько этапов.

Этап 1: Приготовление раствора.

В подогретую воду постепенно добавляем порошок медного купороса. Добавляем порошок до тех пор, пока не будем уверены, что он уже не растворяется (такой раствор называется насыщенный).

ВНИМАНИЕ! Концентрированный раствор медного купороса не должен попадать на руки, поэтому используйте перчатки. Раствор нельзя пить. Если раствор попадет на руки, помойте это место под краном с водой, не допускайте попадания в глаза. Если попадет – промойте под водой и обратитесь к врачу.

Рис. 1 – приготовление насыщенного раствора медного купороса.

DIV_ADBLOCK420">

День второй: кристалл вырос длинной более 1 см. День третий: кристалл увеличился в длину до 2 см.

Рис. 4 – День второй Рис. 5 – День третий.

Такие кристаллы можно использовать в качестве украшения, например, рамки для фотографий или других предметов.

Заключение

При выполнении этой работы мы выяснили, что мир кристаллов красив и разнообразен. В результате проведенных исследований гипотеза полностью подтверждается: нам удалось вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях.

Кристалл растёт потому, что вода из насыщенного раствора постепенно испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое, так как «кирпичики» притягиваются друг к другу и самостоятельно занимают своё место. Для того чтобы вырастить большие и красивые кристаллы, нельзя при росте без особой причины вынимать их из раствора. Не нельзя допускать попадание мусора в насыщенный раствор, это может сильно замедлить рост кристалла (или кристалл вообще не вырастит). При выращивании кристаллов необходимо соблюдать правила техники безопасности , пользоваться перчатками, очками и выполнять все операции под наблюдением взрослых. Ведь большинство веществ, используемых при выращивании кристаллов, являются ядовитыми.

Использованная литература:

1. Выращивание кристаллов в домашних условиях. Режим доступа: http:///

2. Кристаллы. Режим доступа: https://ru. wikipedia. org/wiki/

3. Применение кристаллов. Режим доступа: http://www. /presentations/

4. Как вырастить красивые кристаллы у себя дома. Режим доступа: http://www. domsovetof. ru/

Приложения

Приложение 1 – Результаты ответов на 1 вопрос «Случалось ли Вам слышать слово кристалл».

Приложение 2 – Результаты ответов на 2 вопрос «Какие кристаллы Вам знакомы»

Приложение 3 – Результаты ответов на 3 вопрос «Можно ли кристаллы вырастить дома»

В природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются крайне редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз - это кристалл углерода, рубин и сапфир - кристаллы окиси алюминия с различными примесями.

Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.

Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, а затем, последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш.

Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.

Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.

Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2-100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10-20 мм/ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл корунда.

Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.

Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе. Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.

Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и давлении 1000 ат.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.

Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин - благородный корунд, окись алюминия Al 2 O 3 с красящей примесью окиси хрома. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.

Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Что такое кристаллы

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам.

Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин «кристалл» в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой.

Атомы, из которых состоят газы, жидкости и твердые вещества, имеют разную степень упорядоченности. В газе атомы и небольшие группы атомов, соединенные в молекулы, находятся в постоянном беспорядочном движении. Если охлаждать газ, то достигается температура, при которой молекулы сближаются друг с другом, насколько это возможно, и образуется жидкость. Но атомы и молекулы жидкости все-таки могут скользить относительно друг друга. При охлаждении некоторых жидкостей, например, воды, достигается температура, при которой молекулы застывают в относительной неподвижности кристаллического состояния. Эта температура, разная для всех жидкостей, называется температурой замерзания. (Вода замерзает при 0°С; при этом молекулы воды упорядоченно соединяются друг с другом, образуя правильную геометрическую фигуру.) У каждой частицы вещества (атома или молекулы), находящегося в кристаллическом состоянии, окружение точно такое же, как и у любой другой частицы того же типа во всем кристалле. Другими словами, ее окружают вполне определенные частицы, находящиеся на вполне определенных расстояниях от нее. Именно это упорядоченное трехмерное расположение характерно для кристаллов и отличает их от других твердых веществ .

Удивительное рядом

Наверное, самым обычным и в тоже время удивительными кристаллами являются снежинки. Каждую зиму мы наблюдаем миллиарды этих маленьких кристалликов. А какие узоры образуются на окнах (если конечно, они у вас не пластиковые).

Снежинка — сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов сборки множество — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают этот факт — кристаллические структуры можно вырастить искусственно или наблюдать в природе.

Кристаллография в настоящее время активно развивается в связи с потребностями электроники и физики твердого тела — в частности, свойства полупроводников, использующихся в наших повседневных электронных приборах, в значительной мере зависят от характеристик, используемых в них кристаллов. Очередной шаг в изучении свойств наиболее известных природных кристаллов — снежинок — сделан профессором физики Кеннетом Либбрехтом (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического института.

В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно. «Я пытаюсь выяснить динамику формирования кристаллов на молекулярном уровне, — комментирует профессор. — Это непростая задача, и ледяные кристаллы скрывают множество секретов». Для изучения характеристик снежинок профессор Либбрехт с 2001 года начал делать фотографии образовавшихся естественным образом снежинок и проводить их сравнительную классификацию. Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят от того, где именно их наблюдали. По мнению Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее — к примеру, на Аляске, а вот в Нью-Йорке, где климат мягче, структуры снежных кристалликов гораздо проще.

Давайте полюбуемся на это чудо

Применение кристаллов

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - ал­маз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет гро­мадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращаю­щийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или за­рубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клей­ким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

А лмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, за­каленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее от­ветственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.

рубин

сапфир

Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же мине­рал - корунд, окись алюминия А1 2 О 3 . Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись ти­тана - в сапфир. Есть корунды и других цветов.

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

Вся часовая промышленность работает на искусственных руби­нах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют ру­биновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных воло­кон, из капрона, из нейлона.

Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.

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

Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.

яшма

аметист

кремень

Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидно­сти кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая кра­сивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачно­го кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.

Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристал­лах.

В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезирован­ные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие.

Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для вос­произведения, записи и передачи звука.

Эдектрооптическая промышленность - это промышленность кристаллов, не имеющих центра симметрии. Эта промышленность очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обраба­тывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.

Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики распо­ложены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляри­зуют свет, проходящий через пленку.

Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. По­ляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно прихо­дится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от за­леденевшего снежного поля.

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

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия.
Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Кристаллы и здоровье

Существует довольно много методов применения кристаллов в терапии. Самый простой - контактное врачевание. Вы прикладываете к больному месту камень или носите украшение из него. Такие украшения для лечебных целей можно применять в течение суток в зависимости от вашего заболевания.

Зеленые камни

Все камни зеленого цвета успокаивают, избавляют от бессонницы.

Изумруд способствует укреплению зрения и может вылечить кашель.

Нефрит - полезен при заболеваниях почек. Его надо носить в течение года на пояснице.

Малахит укрепляет иммунитет, помогает работе поджелудочной железы, почек и селезенки. Считается, что кулон из малахита в медной оправе излечивает ревматизм и радикулит. Очень хорошо работает малахит с серебром.

Синие и фиолетовые камни

Эти тона снимают воспаления, борются с инфекциями, полезны тем, кто проводит много времени за компьютером, при заболеваниях легких. Камни синего цвета снижают аппетит.

Бирюза служит индикатором здоровья: если вы носите украшение из бирюзы и видите, что она потемнела, - это верный признак начинающейся болезни.

Цели : показать роль моно- и поликристаллов в технике и науке, многообразие форм кристаллических решёток; рассмотреть различные методы выращивания монокристаллов и способы повышения их прочности.

Ход урока

1. Организационный этап (1 мин)

2. Изложение нового материала (43 мин)

Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники. Сегодня на уроке речь пойдёт о кристаллах. Наша задача: узнать, как устроены кристаллы; объяснить с физической точки зрения многообразие их форм и свойств; рассмотреть методы искусственного выращивания кристаллов и способы увеличения их прочности; увидеть, как и для чего используются кристаллы в быту и технике.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической . Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства. (Слайд-шоу «Многообразие кристаллов» .)

Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел является, как уже говорилось, наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных атомов, молекул или ионов.

Сообщение ученика. Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. (Слайд .)

Примеры простых кристаллических решёток: 1 – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая; 3 – объёмно-центрированная кубическая; 4 – гексагональная

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).

В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси . Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии. (Слайд .)

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. В свете растущей потребности техники в кристаллах высокой степени чистоты перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

Сообщение ученика. Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведёт к выпадению соли.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С. Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.

3. Применение кристаллов

1. Алмаз . Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы 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. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.

2. Рубин . Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. . Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники . Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике . Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10 –6 м.

В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10 –9 –10 –10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».

6. Вольфрам и молибден . На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц . Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

Из плавленного кварца изготавливают тигли, сосуды и другие ёмкости для химических лабораторий.

4. Способы повышения прочности твёрдых тел

Поликристаллическими являются стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, станки, детали машин и самолётов. Значения реальной и теоретической прочности расходятся в десятки, даже сотни раз. Причина кроется в наличии внутренних и поверхностных дефектов в кристаллических решётках.

Для получения высокопрочных материалов нужно выращивать монокристаллы по возможности без дефектов. Это очень сложная задача. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на другом способе: в кристалле создаются препятствия перемещению дефектов. Ими могут служить дислокации (нарушения порядка расположения атомов в кристаллической решётке) и другие, специально созданные, дефекты.

Примеры точечных дислокаций – нарушений порядка расположения атомов в кристалле

К таким методам относятся, например:

– легирование стали : вводят в расплав небольшие добавки хрома или вольфрама, при этом прочность возрастает в три раза;

– высокоскоростная кристаллизация : чем быстрее отводится тепло от затвердевшего слитка, тем меньше размеры кристаллов. При этом улучшаются физические и механические характеристики. Для быстрого отвода тепла расплавленный металл струёй нейтрального газа распыляется в мельчайшую пыль, которую затем спрессовывают при высоких давлении и температуре.

Статья подготовлена при поддержке компании «АВЕРС». Надежность и качество-это девиз компании «АВЕРС». Компания «АВЕРС» специализируется на комплексе работ по водоснабжению частных и коллективных объектов, поэтому каждый заказ должен быть выполнен добросовестно. Перейдя в раздел: «бурение глубоких скважин », вы сможете, узнать об услугах, акциях, предоставляемых компанией «АВЕРС», а также заказать обратный звонок для связи со специалистом, который сможет ответить на ваши вопросы. В компании «АВЕРС» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами.

Повышение прочности кристаллических тел даёт выигрыш в размерах различных агрегатов, позволяет уменьшить их массу, повышает рабочую температуру и увеличивает срок службы.

5. Закрепление

Учащимся предлагается заполнить тест-таблицу «Применение кристаллов в технике». В конце урока как итог самостоятельной работы учащихся демонстрируется экспресс-газета, нарисованная двумя учениками в течение урока.

Литература

Учебник «Физика-10»: Под ред. А.А.Пинского. – М: Просвещение, 2001.

Физическая энциклопедия, т. 3: Под ред. А.М.Прохорова. – М: Советская энциклопедия, 1990.

Ресурсы интернета.

Ирина Александровна Дороговцева – выпускница ГПИ г. Комсомольск-на-Амуре (1997 г.), учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 8 лет. Участница финала профессионального конкурса «Учитель года-2003». Дочери 4 года. Увлекается компьютерным дизайном, программированием, научной фантастикой.