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

производство искусственных аметистов с приданием им таких природных свойств, какими обладают «бархатис­ тые» аметисты Мурзинки. И такие аметисты уже выра­ щиваются в нашей стране на заводах синтеза мине­ рального сырья.

Положительные результаты выращивания кристал­ лов кварца методом гидротермального синтеза застави­ ли исследователей попытаться таким же путем полу­ чать и кристаллы других минералов, обладающих ценными свойствами. В 1961 году американская фирма «Белл телефон компани» получила патент на способ производства гидротермальным методом кристаллов рубина. Этот метод имеет ряд преимуществ по сравне­ нию с традиционным способом их получения (по Вернейлю), о котором говорилось выше.

В настоящее время гидротермальным способом син­ тезированы кристаллы берилла, разновидностью кото­ рого являются знаменитые аквамарины и изумруды. Таким методом выращивают цинкит.

Проблемами гидротермального синтеза минераль­ ного сырья, как уже говорилось, занимаются и казах­ станские геологи. Наиболее значимым из проведенных ими исследований является гидротермальный синтез касситерита (оловянного камня).

Касситерит представляет собой двуокись олова с примесями окислов тантала, вольфрама, железа и ти­ тана. В природе находят дипирамидальные, призмати­ ческие, реже игольчатые кристаллы касситерита. Встре­ чается оловянный камень в натечных образованиях с концентрически-зональной структурой (так называемое «древянистое олово»). Минерал этот хрупкий, с неров­ ным изломом, имеющий алмазный или жирный блеск и окраску от желтого, красного, бурого до серого и чер­ ного оттенков. Это основная руда для получения олова.

60

Первые попытки получить чистые монокристаллы касситерита методом гидротермального синтеза в авто­ клавах были предприняты в 1963 году в Институте кристаллографии Академии наук СССР. Кристаллиза­ ция минерала осуществлялась из концентрированных щелочных растворов при температурах 450—600°С и давлениях в автоклавах до 2000—2500 атмосфер. В результате проведенных исследований были получе­ ны мелкие (1,5—2,0 мм) загрязненные примесями крис­ таллики касситерита, непригодные для технических целей.

В 1965 году попытку осуществить гидротермальный синтез чистых монокристаллов касситерита предпри­ няли ученые Пенсильванского университета (США). В аналогичных условиях, но при более высоких темпе­ ратурах (до 700—800° и давлении до 3000—4500 атмос­ фер) ими были получены такие же результаты. Опыты были прекращены. Ученые считали, что для успешного решения поставленной задачи необходимо найти новые конструкционные материалы для автоклавов, которые были бы способны выдерживать еще более высокую температуру и давление.

В январе 1976 года советское телевидение сообщи­ ло, что советским ученым удалось получить искусствен­ ные кристаллы оловянного камня при очень высоком давлении (4000—5000 атмосфер) в сложных по техни­ ческим данным установках.

Ученым Института геологических наук имени К. И. Сатпаева удалось также осуществить кристалли­ зацию касситерита на затравку. Причем кристаллиза­ ция минерала призводилась при сравнительно низких температурах (250-350°С) и давлении (600-700 атмос­ фер). Этими исследованиями удалось значительно опе­ редить ученых США и Японии, давно пытающихся

61

найти пути получения крупных монокристаллов касси­ терита. Таким образом, нашей стране, Казахстану при­ надлежит приоритет открытия реальных предпосылок для осуществления промышленного синтеза и практи­ ческого использования в дальнейшем чистых моно­ кристаллов касситерита в новой технике. Полученные казахстанскими геологами искусственные кристаллы касситерита имеют коэффициент преломления, сравни­ мый с коэффициентом преломления алмаза, обладают высоким двупреломлением и сильным рассеиванием света. Поэтому они найдут широкое применение в юве­ лирном деле как высококачественные заменители бриллиантов. В природных оловорудных месторожде­ ниях чистые, совершенно прозрачные кристаллы кас­ ситерита не встречаются.

Как показали исследования, кристаллы касситерита выдерживают температуру до 1100°С и являются полу­ проводниками с широкой запрещенной зоной проводи­ мости. Поскольку ширина его запрещенной зоны боль­ ше, чем у кремния, то и выпрямители тока, изготовлен­ ные из искусственных кристаллов оловянного камня, должны иметь более высокий верхний предел рабочей температуры — большей или равной 200°С (у кремния этот предел равен 130—140° С).

Электрическое сопротивление полученного кассите­ рита изменяется незначительно в широком интервале температур (от комнатной до +200°С). Благодаря этому и другим химическим, механическим и термическим параметрам — лучшим, чем у других полупроводников, искусственный оловянный камень в новом качестве мо­ жет найти применение в микроэлектронике. Другие качества, обнаруженные у искусственных кристаллов, свидетельствуют о том, что они, по-видимому, могут быть использованы в качестве базовых кристаллов

62

твердых радиотехнических схем, а также при создании различных полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах в вакууме и в агрегативных средах. В частности, они могут быть использованы в лазерах.

Кристаллы касситерита, легированные парамагнит­ ной примесью трехвалентного железа, могут найти при­ менение в парамагнитных усилителях. Слабое погло­ щение тепловых лучей позволяет использовать полу­ ченные кристаллы при изготовлении призм и иных оп­ тических деталей для инфракрасной техники, а также в других технических отраслях, которые зарождаются в наши дни.

Итак, мы рассказали об основных методах выращи­ вания искусственных минералов, используемых в новой технике. Наметилось три основных пути их производст­ ва. Первый путь — выращивание идеальных монокрис­ таллов различных минералов и химических соедине­ ний. Это трудное, но наиболее перспективное направ­ ление создания новых минеральных образований с еще неизвестными нам свойствами. Второй путь — стремле­ ние вызвать определенные нарушения правильной кристаллической решетки уже созданных искусствен­ ных минералов с целью получения необходимых нам дополнительных свойств синтезированных кристаллов. Для этого в распоряжении ученых имеются различные способы. Один из них, в частности, тот, когда исходное минеральное вещество подвергают определенной тер­ мической обработке или облучают частицами высоких энергий. Это делается для того, чтобы либо избежать нежелательных дефектов, возникающих при выращива­ нии искусственных монокристаллов, либо создать в кристаллах нужные дефекты, придающие им новые ценные свойства. Например, в узлы кристаллической

Ö3

решетки возвращаются атомы, вышедшие при росте кристалла в межузловое пространство. Облучая мине­ рал, мы укрепляем кристалл и предотвращаем смеще­ ние в нем атомных слоев. Третий путь — выращивание нитевидных монокристаллов (вискеров, или «усов»). Вискерами считаются волосоили нитевидные кристал­ лы, которые по своим физическим качествам прибли­ жаются к идеальным кристаллам. К ним не относятся волокна хризотил-асбеста, скопления параллельных иголочек льда, так как эти образования являются структурно обособленными формами роста кристалли­ ческих минералов. Настоящие вискеры («усы») облада­ ют высокой прочностью на растяжение, которая в не­ сколько раз превышает прочность крупных металли­ ческих кристаллов. Длина вискеров достигает несколь­ ких сантиметров, а диаметр никогда не превышает 0,2 миллиметра. Они используются для изучения явле­ ний сверхпроводимости, магнитных элементарных про­ цессов и могут служить затравочными кристаллами при выращивании бездефектных длинных монокристаллических нитей. Но все характерные свойства вис­ керов с увеличением их диаметра быстро исчезают. Одной из причин высокой прочности «усов» считается то, что при их росте всячески избегают образования де­ фектов, характерных для крупных монокристаллов. Примером может служить прочность сителлов—микро­ кристаллических стекол, у которых в 1 кубическом сантиметре содержится около 1 миллиарда кристал­ ликов.

Человечество все глубже и глубже проникает в тайны минералов. Однако в ряде случаев еще не най­ дены методы выращивания нужных минералов, необ­ ходимых по размерам искусственных кристаллов, удов­

64

летворяющих требованиям современного производства. Но поиски новых методов продолжаются, создается но­ вая, более совершенная аппаратура для проведения экспериментов. Можно с уверенностью сказать, что ме­ тоды выращивания кристаллов в нормальных условиях и путем кристаллизации из расплавов уже основатель­ но разработаны с научной точки зрения и получили разнообразное и всестороннее техническое воплощение. В то же время методы получения кристаллов из газо­ вой фазы находятся лишь на стадии начального экспе­ римента и лабораторных исследований. Метод выращи­ вания крупных кристаллов путем увеличения их раз­ меров с помощью термического воздействия является лишь объектом научных поисков.

Для ученых становится очевидным, что для выбора метода выращивания искусственных минералов необхо­ димо в первую очередь учитывать физические и хими­ ческие свойства природного минерального образования, которое геологи встречают в недрах нашей земли. Если мы имеем дело с устойчивыми химическими вещества­ ми, то обычно требуется получить безупречные по составу и структуре кристаллы. В таком случае пред­ почитают применять те методы синтеза минерального сырья, в которых возможно обеспечить незначитель­ ную скорость роста монокристаллов. Это исключает в определенной степени возможные дефекты его кристал­ лической решетки. Кроме того, стремятся, чтобы усло­ вия проведения опыта исключали попадание в крис­ талл примесей из растворителя, стенок тигля и авто­ клава.

Если ученые имеют дело с неустойчивыми (неста­ бильными) химическими веществами, то выбирают методы, позволяющие работать при температурах ни­ же точки разложения данного вещества. В подобных случаях отдают предпочтение методам выращивания из

66

растворов. Чистые расплавы и газовожидкие растворы таких веществ оказываются непригодными для синте­ зирования кристаллов нестабильных химических ве­ ществ.

Кристаллы из химических соединений с низкой (менее 1000°С) точкой плавления обычно получают из водных, неорганических растворов. Если точка плав­ ления исходных химических веществ превышает 1000°С, то применяются способы выращивания моно­ кристаллов из раствора в расплаве или безтигельная плавка.

Если ни один из перечисленных способов не позво­ ляет получить нужные искусственные минералы, при­ бегают к трудоемким методам гидротермального синте­ за и синтеза под высоким давлением. Кроме того, последние методы используются и тогда, когда надо получить крупные монокристаллы из высокотемпера­ турных модификаций кристаллов после их выращива­ ния (например, методом Вернейля).

ИСКУССТВЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ В НАШЕЙ ЖИЗНИ

Нашу страну называют неисчерпаемой кладовой различных видов минерального сырья. Ведущее место в освоении минеральных природных запасов принадле­ жит Казахстану. Коммунистическая партия и Совет­ ское правительство поставили перед республикой зада­ чу ускоренной разработки природных запасов мине­ рального сырья. Для этих целей выделяются огромные материальные и производственные ресурсы. Казахста­ ну, как и многим восточном районам страны, в бли­ жайшем пятилетии отводится роль основного постав-

66

іцика сырья для цветной и черной металлургии, горю­ чих ископаемых для энергетики. Такое направление развития производительных сил республики тесно свя­ зано с общим гармоничным развитием народного хо­ зяйства страны. Пока еще не предусмотрено развитие

вКазахстане промыхиленности синтеза минерального сырья. Этим занимаются в других республиках, в част­ ности, в РСФСР, Таджикистане, Армении, на Украине, где в годы предыдущих пятилетохс созданы крупные научные центры и развита промышленность синтеза минерального сырья. Тем не менее в Казахстане ведут­ ся научные исследования по разработке методов полу­ чения искусственных минералов. Определенные успехи

вэтом деле уже есть. Это является добрым признаком того, что в скором времени в республике появятся заводх.і, производящие искусственные минералы и крис­

таллы.

На протяжении десятков лет в промышленности используется ряд методов кристаллизации различных минеральных образований. Ведущее место среди них принадлежит получению кристаллических веіцеств из растворов. В настоящее время в этой отрасли промыш­ ленности выделяют производства с непрерывным и пре­ рывным рабочими процессами. К первым, когда приме­ няются охлаждающиеся кристаллизаторы, относятся заводы, производящие сульфид, бихромат и тиосуль­ фат натрия, медный купорос. В производстве кристал­ лических веществ с использованием трубчатых крис­ таллизаторов при прерывном рабочем процессе на заво­ дах и комбинатах получают глауберову соль, кристал­ лическую соду, нитрит и биосульфит натрия, двунатрие­ вый фосфат, нитрит аммония, желтую кровяную соль, хлорат калия, сульфат железа. Применение в производстве с таким режимом вакуумных кристалли­

67