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

заторов позволяет получать калиевую и поваренную соли, сульфаты аммония и натрия.

Широкое применение получил способ кристаллиза­ ции из расплавов в формах, реже используется метод кристаллизации из газовой фазы. Однако этим путем производят йод, мышьяк, нафталин, камфору, бензой­ ную кислоту, атрафен и другие вещества. В промышлен­ ности применяются и другие процессы, связанные с изменением структур синтезируемых кристаллических веществ. Наиболее значительные успехи достигнуты при создании искусственных драгоценных камней.

КАМЕННЫЕ ЦВЕТЫ

Так называют драгоценные камни за совершенство их форм и чистоту цвета. Многие века они были пред­ метом роскоши, символом богатства : украшали скульп­ туры будд, царские головные уборы, оружие полковод­ цев, троны великих монархов. В Грузии на фронтоне, где покоятся останки Багратионов, древний зодчий изваял руку с зажатым в ней кристаллом. Здесь это символ кристальной честности и твердости духа кня­ жеского рода, многие столетия стоявшего во главе борь­ бы за единство своего народа. А князь Петр Иванович Багратион прославился в Отечественной войне 1812 го­ да как выдающийся полководец и участник ряда суво­ ровских походов.

Красота драгоценных камней основана на их спо­ собности преломлять и рассеивать свет. Сохранение оптических свойств, обусловливающих их красоту в те­ чение длительного времени, обеспечивает их высокая физическая и химическая сопротивляемость—основное достоинство и признак драгоценных камней. Из искус­ ственно получаемых минералов и кристаллов к ним следует отнести алмазы, изумруды, рутилы, шпинель

68

(хризоберилл), окись алюминия (рубин и сапфир), аме­ тисты, цитрины, раухтопазы, гранаты и другие мине­ ралы. Запасы их в природе крайне ограничены, поэто­ му естественно желание увеличить их количество ис­ кусственным путем. Такие кристаллы во много раз дешевле природных. Кроме того, главное значение син­ теза минералов состоит в том, что разгадана природа драгоценных камней. Это торжество человеческого ра­ зума. И чем больше будет производится искусственных кристаллов с качествами драгоценных камней в нашей стране, тем богаче будет народ, тем быстрее будут раз­ виваться те отрасли промышленности, в которых нашли применение драгоценные камни.

Вот что писала о работе Чернореченского химичес­ кого комбината газета «Вечерняя Алма-Ата» 13 декаб­ ря 1973 года: «Здесь рождаются искусственные руби­ ны. Ударит крохотный молоточек дозатора и в жаркое пламя горелки, где сжигается струя водорода, поступа­ ет порция пудры и алюминиевых квасцов и окислов других металлов. Под этот мелодичный перезвон и рас­ тут здесь кристаллы самоцветов — по одному в каждом аппарате.

Своеобразный «оркестр» цеха пополнился новыми «голосами» — в строй вступил агрегат «Корунд-1». В нем сразу несколько десятков аппаратов. Сотни ки­ лограммов синтетических камней в год — такова про­ изводительность этого блока. Управляют им два опера­ тора. Чернореченские химики первыми в стране научи­ лись выращивать драгоценные камни в искусственной среде. Они ежедневно отправляют часовым и приборо­ строительным заводам, ювелирным мастерским десят­ ки килограммов корунда разных цветов. Дважды отме­ ченный государственным Знаком качества темно-крас­ ный «Рубин-10» — самый массовый из них. По окраске он не отличается от натурального камня. А по чистоте

69

и прочности кристалла даже превосходит его. Это при­ знают и часовщики, и приборостроители, и ювелирных дел мастера.

Предприятие постоянно наращивает выпуск продук­ ции. До конца пятилетки в цехе будет смонтировано еще несколько блоков типа «Корунд», новое оборудова­ ние позволит увеличивать производство синтетических самоцветов».

А вот что сообщила газета «Неделя» 24 ноября 1968 года: «Во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтеза минерального сырья Министерства геологии СССР были получены прочные монокристаллы искусственных алмазов. Экономический эффект от внедрения в промышленность только тех минералов, которые были созданы в этом институте (отметим, что не в производственных условиях, а в институте) изме­ ряется несколькими десятками миллионов рублей».

Еще информация журнала «Огонек» (1972 г.) о про­ изводстве искусственных алмазов в украинском Инсти­ туте сверхтвердых материалов. Там для изготовления двух тысяч каратов алмазов потребовалось в 1961 году девять месяцев, а в 1972 году такое количество алма­ зов — около 400 граммов — на одной установке изго­ товлял один оператор. Уже тогда алмазные инструмен­ ты, разработанные и созданные в этом институте, при­ носили в различных отраслях промышленности до 200 миллионов рублей прибыли в год. Журнал сообщал, что Советский Союз по уровню потребления искусствен­ ных алмазов в промышленности давно занял ведущее место в мире, оставив далеко позади многие технически развитые страны.

В феврале 1976 года в газете «Социалистическая ин­ дустрия» говорилось о том, что для маркировки выра­ щиваемых искусственных алмазов была создана спе­ циальная радиационная установка, которая маркирует

70

одну из граней кристалла и не нарушает его внутрен­ них свойств. Это свидетельствует о том, что производ­ ство алмазов достигло в нашей стране значительных размеров, поэтому нужны уже автоматизированные линии для их маркировки и учета.

ТОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Как уже говорилось, искусственные минералы и ма­ териалы высокой прочности нашли широкое примене­ ние в часовой, приборостроительной и других отраслях промышленности. К таким минералам относятся окись алюминия (рубин и сапфир), карбокорунд, борит и дву­ окись кремния. Новые искусственные кристаллы изме­ няют ставшие привычными представления о широко известных предметах. Это относится в частности, к часам.

Вот что писала лондонская газета «Файненшл тайме» («За рубежом», 1976, № 7): «По мнению спе­ циалистов, электронные твердотелые цифровые часы могут в течение 5 лет потеснить на рынке механические часы». Оказалось, что в 1975 году было продано около 2,5 миллиона таких часов (особенно в США), а часов всех других типов — только около 100 тысяч штук.

В электронных часах в настоящее время применяет­ ся два типа устройств для отображения времени. Первое работает с использованием светоизлучающих диодов в виде цифр, высвечивающихся в красном или зеленом цвете на черном фоне. Устройства второго типа выпол­ няются на жидких кристаллах и указывают время так, если бы оно записывалось магнитным карандашом. Оба типа имеют определенные недостатки: нужно исполь­ зовать обе руки, так как для отражения времени на ча­ сах первого типа необходимо нажимать кнопку; при

71

ярком свете еще нет четкого изображения цифр. Но несмотря на недостатки такие часы в отличие от меха­ нических просты по конструкции, надежны в эксплуа­ тации и обладают гораздо более высокой точностью хода.

Если сейчас в Англии механические часы стоят 28—31 фунт стерлингов, а в других странах 25 фунтов стерлингов и меньше, то специалисты считают, что че­ рез четыре года цена электронных часов снизится до 15 фунтов стерлингов. Предполагается также и то, что, когда стоимость электронных и механических часов сравняется, то твердотелые цифровые часы смогут кон­ курировать на рынке с механическими благодаря луч­ шему внешнему виду.

Вот и еще один пример, который показывает, что искусственные минералы не только развивают опреде­ ленную отрасль промышленности, но и усовершенству­ ют ее, поднимая на более высокий технический уро­ вень.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ТРАНЗИСТОРЫ

Трудно сказать, в какой отрасли промышленности не применяются искусственные кристаллические мине­ ралы. В радио и телевидении, электронно-вычислитель­ ных машинах, медицинской аппаратуре, измеритель­ ной и контрольно-измерительной технике, автомобиль­ ной промышленности, быту людей — везде мы встре­ чаемся с названными изделиями, основу которых составляют искусственные минералы. Это антимонид аммония, теллурид висмута, антимонид и фосфид галлия, германий, антимонид, арсенид и фосфат индия, сульфид кадмия, кремний, сульфид свинца и цинка и другие. Именно им мы обязаны тем, что наши

72

приемники и магнитофоны стали в несколько раз меньше и экономичнее, а качество звучания их улучшилось. Искусственные кристаллы широко исполь­ зуются в электронно-вычислительных машинах. С их помощью работают стимуляторы жизнедеятельности человеческого сердца.

К полупроводникам относятся твердые тела, удель­ ное электрическое сопротивление которых лежит меж­ ду сопротивлениями хороших проводников (около 10_6олг. см) и изоляторами, практически не проводящи­ ми электричество. Сопротивление изоляторов около ІО14—ІО22 ом. см. В отличие от хороших проводников в полупроводниках (имеющих кристаллическую струк­ туру) сопротивление и проводимость тесно связаны с состоянием связи электронов в узлах кристаллической решетки минералов. Обычно с повышением температу­ ры в полупроводниках нарушаются отдельные валент­ ные связи в молекулярных и атомных ячейках, и вы­ свободившиеся электроны способствуют переносу тока. Это собственная проводимость материала. При освобождении электрона в кристаллической решетке минерала возникает электронная вакансия —- дырка. Она может быть занята электроном из соседней ячей­ ки. В конечном счете электронная вакансия возникает то в одной, то в другой элементарной ячейке минерала, создавая так называемый дырчатый ток.

Помимо собственной у полупроводников имеется электропроводимость другого рода — примесная прово­ димость, которая вызывается дефектами кристалличес­ кой решетки. Так, если мы будем вводить в кристалли­ ческую решетку химического элемента IV группы пе­ риодической системы Менделеева (например, кремния) атом мышьяка (V группа периодической системы), то необходимо будет использовать четыре валентных электрона мышьяка для электронной связи с кремни­

73

ем. В результате такого превращения один валентный электрон кремния связывается с мышьяком очень слабо и может быть использован для переноса тока. В этом случае ученые говорят, что возник проводник. Если атом элемента из III группы периодической систе­ мы путем замещения попадает в область влияния эле­ мента из IV группы, то говорят, что возникает р-прово- димость. В полупроводниках области п-проводимости и р-проводимости граничат между собой. В зависимости от направления тока р-п-переходы либо пропускают, либо запирают ток, то есть обладают свойствами выпря­ мителя тока.

Таким же образом объясняются и свойства транзис­ торов в применении к электрическому току.

Несколько лет назад было установлено, что полу­ проводники обладают и другими дополнительными качествами, позволяющими использовать их в холо­ дильных установках высокой мощности. При этом не требуются теплоноситель и подвижные части, применя­ емые в обычных холодильных установках. Это приведет к уменьшению размеров холодильного оборудования и увеличению мощностей холодильных установок. Наибо­ лее пригодным искусственным минералом для этих целей был признан теллурид висмута. Приходится только поражаться тем возможностям, которые откры­ ли в технике полупроводники и транзисторы.

МАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ

Мазеры — это устройства, основанные на усилении микроволн в искусственных кристаллах через возбуж­ дение радиационного потока электронов. Название ин­ струмента произошло от заглавных букв слов, объясня­ ющих этот эффект в кристаллах — microwave amplifi­

74

cation by stimulated emission of radiation». Суть его состоит в том, что этому веществу в возбужденном состо­ янии свойственна определенная величина энергии. При переходе такого атома в состояние с меньшей энергией возникает квант излучения. Оказалось, что определен­ ные материалы, особенно при низких температурах, способны накапливать энергетические потенциалы электронов отдельных атомов. Вследствие этого погло­ щения «населенность» электронов с более высоким уровнем энергии увеличивается, а «населенность» низ­ кого уровня — уменьшается. Через определенное вре­ мя «населенность» обоих уровней становится одинако­ вой и поглощение прекращается. Возбужденные атомы передают свою энергию кристаллической решетке ис­ кусственного кристалла. Теперь при повышении «насе­ ленности» верхнего энергетического уровня возникает лавинное излучение электронов. Такого насыщения верхнего уровня в искусственном кристалле можно достигать, воздействуя на него сильным микроволновым сигналом. На этом основаны так называемые трехуров­ невые мазеры с тремя рядом расположенными энерге­ тическими уровнями, которые существуют у ионов с более чем одним неспаренным электроном (например, в ионе Сг+3 искусственного рубина). Такие микроволно­ вые усилители используются, в частности, для дальней и ближней космической связи.

Лазеры — это приборы, основанные на усилении света через возбуждение в искусственных кристаллах радиационного потока электронов («light amplification through stimulated emission of radiation»). В данном случае нарушение нормального порядка «населеннос­ ти» энергетических уровней в том же кристалле рубина достигается с помощью луча видимой области солнеч­ ного спектра (света). С этой целью используется тот же ион Сг+3. Под воздействием разряда конденсаторной ба­

75