Файл: Жилинский, Г. Б. Искусственные минералы.pdf

ния полезных ископаемых. Но содержание полезных ископаемых в таких концентрациях, когда их выгодно извлекать из недр, встречается по-прежнему крайне редко. Это связано с тем, что большинство месторожде­ ний приурочено к длительно развивающимся участкам и зонам земной коры и история их формирования изме­ ряется миллионами лет. В период формирования место­ рождения очень много факторов влияет на то, каким оно будет и может ли быть использовано людьми. К та­ ким факторам относятся: состав вмещающих рудное вещество пород; условия их нахождения, когда обычно благоприятными становятся выкупности (положитель­ ные складки) слоев земной коры; наличие в данных участках литосферы магматических образований (про­ изводных магматических расплавов) и вулканических процессов; характер и интенсивность разрывов, проис­ ходящих в прошлом и так широко развитых в актив­ ных зонах земли. И еще множество условий влияет на возможность возникновения того или иного месторож­ дения.

Советские геологи-поисковики в настоящее время не только выясняют условия образования месторожде­ ний, но с успехом прогнозируют (предвидят) их место­ положение в недоступных и слабозаселенных районах нашей страны. Примером тому талантливое предвиде­ нье М. А. Усова перспектив открытия нефти и газа в Сибири, золотого пояса на далеком северо-востоке Со­ ветского Союза или колоссальных запасов подземных вод в пустынных и полупустынных районах Средней Азии и Казахстана.

Вернемся же к экспериментальной минералогии, методы которой существенно отличаются от традици­ онных описательных методов классической геологии. Ей наряду с изучением условий равновесия физико-хими­ ческих систем, растворимости, переноса и отложения

20

природных химических соединений и слагающих их химических элементов в различных геохимических процессах приходится заниматься также моделирова­ нием условий природного минералообразования и, сле­ довательно, разработкой синтеза минерального сырья, получением искусственных кристаллов. При этом вос­ создаются условия, которые либо исключают влияние на образование кристаллов всего многообразия естест­ венных факторов, либо изолируют только одну сторону изучаемого явления. Используя метод научной абстрак­ ции в этом процессе, можно выяснить различные фи­ зико-химические и термодинамические факторы, влия­ ющие на минералообразование. Именно такой подход к проблеме создания искусственных минералов позволил получить первые положительные результаты при син­ тезе минерального сырья — новой отрасли промышлен­ ности XX века.

МИНЕРАЛ, ПОЛУЧЕННЫЙ В ПРОБИРКЕ

В связи с тем, что теория процессов минералообразо­ вания пока еще в должной мере не разработана, синтез минерального сырья — это прежде всего эксперимент.

«Синтез» и «минеральное сырье» — понятия, на первый взгляд, несовместимые. В самом деле, под «ми­ неральным сырьем» принято понимать все то, что че­ ловек с пользой для дела добывает из недр земли, в том числе и ценные кристаллы. Под «синтезом» минералов понимается технология получения новых веществ, обла­ дающих полезными свойствами. В первом случае речь идет об естественных природных веществах, во вто­ ром — об искусственных материалах. До недавнего вре-

21

мени все действительно было так, но в XX век — век бурного расцвета науки и техники многие когда-то при­ вычные понятия нередко приобретают иной смысл, в них вкладывается новое содержание.

Вот почему, когда мы говорим о синтезе минераль­ ного сырья, то понимаем под этим технологию получе­ ния таких веществ, которые раньше добывались только из подземных кладовых природы. Следовательно, в отличие от химической технологии получения неорга­ нических веществ вообще, в том числе и кристалличес­ ких, под синтезом минерального сырья следует пони­ мать искусственное создание минералов и «выращива­ ние» их монокристаллов. Синтезирование минералов (минерального сырья) из отдельных химических соеди­ нений и элементов, а также «выращивание» монокрис­ таллов — одно из важнейших направлений современ­ ной минералогии.

Искусственные минералы люди научились получать давно. Теперь невозможно установить точную дату, ког­ да это произошло, и кто был первым человеком, создав­ шим минерал в лабораторном тигле, пробирке или кол­ бе. Известно, что еще древние ученые — алхимики средневековья искали способы получения так называе­ мого «философского камня» и превращения простых металлов в золото. Но в своих опытах они чаще всего случайно воспроизводили всевозможные химические соединения, аналогичные по своему составу и строению природным материалам. Это были, по сути дела, пер­ вые искусственные минералы.

Самостоятельное значение проблема производства (синтеза) минералов приобрела с началом развития промышленности, но практические результаты были получены лишь в конце XIX века.

Одним из первых был синтезирован рубин — мине­ рал, состоящий из окиси алюминия. Это красная разно­

22

видность корунда, которая отличается очень высокой твердостью и оставляет следы, если им чертить, на всех минералах кроме алмаза. Рубин, обладая после обра­ ботки редкостной красотой и блеском, сохраняет свой­ ства корунда. Искусственно он получен в 1837 году Годеном. В дальнейшем были использованы различные методы выращивания рубина. Промышленный синтез корунда осуществлен в 1892 году Вернейлем, который выращивал кристаллы весом до 20—30 каратов (1 ка­ рат равен 0,2 г). Они использовались в ювелирном деле.

Какое это имело значение для промышленности, можно заключить из того, что естественные рубины ве­ сом в три карата стоили в то время 15 тысяч рублей зо­ лотом. Рубин стал использоваться на камни (опоры) для часовых механизмов, счетчиков и т. п. В настоящее время ручные часы содержат до 20—30 рубиновых камней, а в новейших швейцарских часах их насчиты­ вают уже 70—100. Стоимость же часов, как мы знаем, от этого не возрастает.

К началу XX века, по литературным данным, насчи­ тывалось уже более 700 минералов, полученных в лабо­ раторных условиях, но многие ученые считают, что это не совсем точные данные. Дело в том, что повторить опыт получения минералов не всегда удается. Ярким тому примером может служить первый опыт синтеза ал­ мазов, успешно осуществленный в 1893 году известным французским ученым Анри Муассаном. Многочислен­ ные попытки самого Муассана и других ученых повто­ рить этот опыт не увенчались успехом. Дело здесь, повидимому, не в преднамеренной фальсификации результатов эксперимента, а в трудности точно воспро­ извести условия опыта, ибо, как теперь установлено, при синтезе минералов необходимо строго выдерживать заданные оптимальные значения температуры, давле­ ния, перепада температур, состава и концентрации ис­

23

ходных растворов. Техника же, которой пользовался Муассон, не позволяла ему даже точно измерить темпе­ ратуру опыта.

О сложности воспроизведения опытов, связанных с синтезом минералов, можно судить хотя бы по истории искусственных кристаллов кварца. Впервые они были получены Шафотом в 1845 году нагреванием геля (однородного коллоидного студня) кремниевой кислоты и воды при высоком давлении. В 1904 году итальянско­ му ученому Специа удалось впервые осуществить гидротермальный (газовожидкий) синтез довольно крупных (до 1 см) кристаллов кварца. Но затем, вплоть до 50-х годов, не только другим ученым, но и самому Специа не удалось повторить этот опыт.

Особенно быстро промышленный синтез минералов начал развиваться в 40—50-е годы при больших успе­ хах науки в изучении атомного строения вещества и в связи с острой потребностью в технических кристаллах электронной, радиотехнической, оптической промыш­ ленности и точного приборостроения. Так, новый этап в синтезировании искусственных кристаллов корунда связан с их потребностью в качестве активных элемен­ тов для лазеров.

В настоящее время синтез минералов — важная и быстро развивающаяся отрасль промышленности мно­ гих стран. В Японии, например, производством искус­ ственных минералов занимаются десятки крупных кон­ цернов и фирм, ежегодная валовая продукция которых измеряется сотнями тонн. Только две японские фирмы около десяти лет назад производили в год 50 миллионов каратов искусственных монокристаллов, в том числе 400 тысяч каратов составлял ценнейший драгоценный камень рутил, или «ночной камень». Бриллианты ка­ жутся простыми стекляшками в сравнении с этим камнем. В США давно ведутся интенсивные исследова­

24

ния в области синтеза минерального сырья, поэтому производство искусственных монокристаллов достигло там еще больших масштабов, чем в Японии,— его про­ дукция исчисляется тысячами тонн в год.

В нашей стране синтез минерального сырья приоб­ рел значение важной научной и практической пробле­ мы в 30-е годы. Сейчас по производству многих моно­ кристаллов, например, алмазов, кварца, рубинов, слюды и некоторых других минералов, обладающих ценными техническими свойствами, Советский Союз идет впереди других стран. Синтетические алмазы и из­ делия из них СССР поставляет в 26 стран мира.

Над проблемой синтеза минералов работает несколь­ ко крупных специализированных учреждений и лабо­ раторий, в том числе в Министерстве геологии СССР

крупнейший Всесоюзный научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС) в городе Александрове. Именно в этом институте недавно впервые получены искусственные алмазы, уникальные по величине и свойствам монокристаллы оптического кварца и пьезокварца, раухтопаза, аметиста, мориона, золотистого, голубого и синего кварца, фторфлогопита, асбеста и некоторых других минералов. Экономичес­ кий эффект от внедрения в промышленность синтети­ ческих материалов, созданных институтом, измеряется несколькими десятками миллионов рублей в год.

Потребность в синтетических минералах с каждым годом возрастает. Это связано, с одной стороны, с ред­ костью чистых и крупных природных монокристаллов, с другой — с экономическими соображениями и воз­ можностью получения искусственных минералов с не­ обходимыми для промышленности свойствами, формой и размерами. Например, кварц очень распространен в природе, но крупные и чистые кристаллы горного хрус­ таля встречаются редко. Мало оптического кварца и

25

пьезокварца, необходимых для оптической и радиотех­ нической промышленности. Редки в природе окрашен­ ные кристаллы различных минералов, обладающих сильным преломлением света и широко используемых в ювелирном деле. Существенно и то, что синтетические кристаллы стоят в 4—20 раз дешевле природных и пре­ восходят их по качеству.

Чаще всего промышленность нуждается в монокрис­ таллах, то есть в правильной формы одиночных крис­ таллах. Поэтому особое значение и быстрое развитие получают методы выращивания крупных монокристал­ лов с заданными свойствами.

Бурно развивающаяся электронная промышлен­ ность послужила толчком для возникновения новых направлений кристаллохимии и физической химии. К ним относятся, например, исследования по созданию сверхчистых материалов или специально обогащенных (легированных) какими-то компонентами, придающими им новые свойства. Производство особо чистых ве­ ществ — дело сложное. Требуются значительные уси­ лия металлургов и химиков, чтобы найти способы очистки того или иного вещества от содержащихся в нем примесей. Еще сложнее создать искусственные ми­ неральные материалы с заранее заданными свойства­ ми, например, пьезоэлектрическими или полупроводни­ ковыми. И если не учитывается влияние примесей или преимущественное развитие в кристалле каких-то гра­ ней, то при синтезе минералов обычно получается сов­ сем не тот продукт, который нужен. Так, например, пластинки кварца для кварцевых резонаторов, стаби­ лизирующие радиочастоты, вырезаются из монокрис­ таллов под строго определенными углами к оптическим осям кристалла. Неправильная кристаллизация квар­ ца, когда кристаллы растут не по тем кристаллографи­ ческим направлениям, которые нужны, вызывает

26

большие трудности при изготовлении резонаторов и приводит к значительным отходам материала. Работа по созданию искусственных минералов, обладающих заданными свойствами, сопряжена с проведением весь­ ма сложных исследований. В процессе их получают не только заданные минеральные соединения, но обычно моделируют природные процессы, приводящие к обра­ зованию в недрах земли таких минералов. Таким обра­ зом, в процессе получения искусственных монокрис­ таллов решаются одновременно две задачи: выясня­ ются условия образования минералов в природных ус­ ловиях и создаются искусственные монокристаллы для физических исследований и технических целей. Поэто­ му, проводя исследования по искусственной кристалли­ зации монокристаллов, невозможно и нецелесообразно разделять эти задачи. Есть много примеров, когда эксперимент, начавшийся с поисков путей искусствен­ ного получения известных минералов, продолжается дальше и выводит исследователя за предел того, что известно об этих минералах. Так открываются новые явления и закономерности, которые потом применяют­ ся при поисках и разведке данного вида минерального сырья, а также получаются новые минералы и моно­ кристаллы с неизвестными в природе свойствами.

Именно по такому пути пошли казахстанские уче­ ные, начавшие в 1967 году исследования по синтезу монокристаллов. Они проводились в секторе экспери­ ментальной минералогии Института геологических наук им. К. И. Сатпаева АН КазССР. Здесь впервые в мире были получены искусственные кристаллы касси­ терита, обладающие уникальными физическими свойст­ вами. И все же для ученых синтез минерального сырья был не главной целью, а лишь попутным решением важной народнохозяйственной проблемы. Основной же задачей экспериментальной минералогии, успешно

27