Neben Natursteinen und Glas-Strasssteinen werden häufig künstlich gezüchtete Kristalle zur Verzierung von Uhren verwendet. Was ist das: eine billige Fälschung oder Steine mit eigenständigem Wert?
Die heute populäre Vorstellung von synthetischen Edelsteinen entspricht kaum noch der Realität. Bei diesem Begriff denken die meisten Menschen an kleine Schmuckstücke aus Glas, deren Preis niedrig ist und deren Wert noch geringer ist. Natürlich sind Kunststeine in den meisten Fällen tatsächlich günstiger als Natursteine. Allerdings ist der Preisunterschied oft nicht so groß, während künstlich hergestellte Steine in ihren optischen und dekorativen Eigenschaften kaum von natürlichen Steinen zu unterscheiden sind und diese teilweise sogar übertreffen.
Die Menschen haben gelernt, viele Mineralien künstlich zu gewinnen, darunter auch solche, die einst als Edelsteine galten. Beispielsweise werden teure Naturrubine in den Lagern von Uhrwerken und anderen Präzisionsinstrumenten längst durch künstliche Rubine ersetzt. Es ist nicht nur eine Frage des Preises: Für die industrielle Produktion werden große Mengen an Steinen mit klar definierten Parametern benötigt, die die Natur einfach nicht liefern kann. Aus diesem Grund werden für die Herstellung von Resonatoren, die das Herzstück aller Quarzkaliber sind, ausschließlich Kunststeine verwendet. Doch die Lager und Resonatoren sind dem Blick des Käufers verborgen und der Verkäufer hat meist nicht die Möglichkeit, so tief in das Innere der Uhr zu blicken. Viel häufiger achten wir auf ihr Aussehen und stellen Fragen, womit genau dieses oder jenes Modell verziert ist. Darüber hinaus erfreuen sich neben Natursteinen und Glasstrasssteinen, über die wir in der letzten Ausgabe gesprochen haben, auch Kunststeine immer größerer Beliebtheit.
Selbstorganisierende Materie
Kristalle sind Stoffe, in denen kleinste Teilchen (Atome, Ionen oder Moleküle) in einer starren, streng definierten Reihenfolge „gepackt“ sind. Dadurch entstehen beim Wachstum von Kristallen spontan flache Kanten auf ihrer Oberfläche und die Kristalle selbst nehmen interessante geometrische Formen an. Wenn Sie im Museum für Mineralogie waren, haben Sie wahrscheinlich die Anmut und Schönheit der Formen „nicht lebender“ Substanzen bewundert.
In der Natur können Kristalle sowohl in Form und Größe als auch in der Farbe sehr unterschiedlich sein. In ihrer natürlichen Umgebung wachsen sie sehr langsam und ihr Aussehen wird dadurch bestimmt, wie gleichmäßig und ruhig das Wachstum erfolgt. Natürlich gibt es in der Welt der Kristalle solche, die sich schnell bilden – zum Beispiel Salz- oder Eiskristalle, aber für die Schmuck- und Uhrmacherei haben sie keinen Wert. Kristalle beginnen sich zu bilden, wenn eine Substanz vom gasförmigen oder flüssigen Zustand in den festen Zustand übergeht. Beispielsweise handelt es sich bei Reif, der auf Drähten auftritt, um Eiskristalle, die sich auf der Oberfläche des Metalls bilden, wenn die Luft abkühlt.
Ähnliche Prozesse laufen bei der Bildung haltbarerer Kristalle ab: Grundvoraussetzung ist eine gleichmäßige Versorgung mit „Rohstoffen“ für den Aufbau des Kristallgitters. Aus einer Tiefe von Dutzenden Kilometern stammend, schmelzen feurige flüssige Schmelzen mit komplexer Zusammensetzung durch die Erdkruste und brechen, wenn sie näher an der Oberfläche durchbrechen, allmählich aus, sodass sie nicht in der Lage sind, alles um sie herum zu erhitzen. Es ist die allmähliche Abkühlung des Magmas und seine ständige Zugabe, die eine erstaunliche Gelegenheit für das Wachstum einer Vielzahl von Kristallen schafft.
Die Chemie des Prozesses ist sehr komplex und kann nicht vollständig verstanden werden. Ein Parkettboden, der aus vielen Fliesen besteht, trägt dazu bei, sein Wesen optisch darzustellen. Am einfachsten ist es, mit quadratischen Fliesen zu arbeiten – egal wie man sie dreht, sie passen immer noch an ihren Platz und die Arbeit geht schnell vonstatten. Deshalb kristallisieren Verbindungen, die aus Atomen (Metalle, Edelgase) oder kleinen symmetrischen Molekülen bestehen, leicht. Es ist viel schwieriger, Parkett aus rechteckigen Dielen zu verlegen, insbesondere wenn diese an den Seiten Rillen und Vorsprünge haben – dann kann jedes von ihnen auf eine einzige Weise verlegt werden. Besonders schwierig ist es, ein Parkettmuster aus Brettern mit komplexer Form zusammenzusetzen.
Beim Kristallwachstum laufen ungefähr die gleichen Vorgänge ab, nur dass sich die Partikel hier nicht in einer Ebene, sondern in einem Volumen sammeln müssen. Aber einen „Parkettleger“ gibt es hier nicht – wer weist die Materieteilchen in die Schranken? Es stellt sich heraus, dass sie es selbst finden, weil sie ständig thermische Bewegungen ausführen und nach einem geeigneten Ort für sich „suchen“, an dem sie sich am „wohlsten“ fühlen. „Bequemlichkeit“ impliziert in diesem Fall die energetisch günstigste Lage. An einer solchen Stelle auf der Oberfläche eines wachsenden Kristalls angekommen, kann ein Materieteilchen dort verbleiben und befindet sich dann nach einiger Zeit bereits im Inneren des Kristalls, unter neu gewachsenen Materieschichten. Es ist aber auch etwas anderes möglich: Das Partikel verlässt die Oberfläche erneut in der Lösung und beginnt erneut zu „suchen“, wo es sich bequemer absetzen kann.
Tabelle 1. Geschätzte Kosten für Zirkonia verschiedener Schliffe bei großen Großhandelseinkäufen
Jede kristalline Substanz hat eine bestimmte äußere Kristallform, die für sie charakteristisch ist. Beispielsweise ist diese Form für Natriumchlorid ein Würfel, für Kaliumalaun ein Oktaeder. Und selbst wenn ein solcher Kristall zunächst eine unregelmäßige Form hatte, wird er sich früher oder später dennoch in einen Würfel oder Oktaeder verwandeln. Wenn außerdem ein Kristall mit der richtigen Form absichtlich beschädigt wird, beispielsweise seine Spitzen abgeschlagen werden, Kanten und Flächen beschädigt werden, beginnt er bei weiterem Wachstum, seinen Schaden von selbst zu „heilen“. Ein interessantes Experiment basiert auf dieser Eigenschaft: Wenn man aus einem Speisesalzkristall eine Kugel mahlt und diese dann in eine gesättigte NaCl-Lösung legt; Nach einiger Zeit verwandelt sich die Kugel selbst in einen Würfel.
Einen besonderen Platz unter den Kristallen nehmen Edelsteine ein, die seit der Antike die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich ziehen: Diamanten, Rubine, Opale, Topase, Amethyste, Smaragde und viele andere. Natürliche Kristalle von hoher Qualität sind äußerst selten und daher sehr teuer und werden am häufigsten in hochwertigem Schmuck oder speziellen technischen Geräten verwendet. Beispielsweise ist die Lasertechnologie ohne natürliche Rubine und der Erzabbau ohne Diamantsplitter, die an den Schneiden riesiger Bohrer angebracht werden, undenkbar. In vielen einfacheren Fällen erweist es sich als rentabler, künstliche statt natürliche Kristalle zu verwenden. Schleifpapier und alle Halbleiterelemente, die die Grundlage der uns umgebenden elektronischen Technologie bilden, werden aus synthetischen Steinen hergestellt. Einzelne Kristalle werden in der Schmuck- und Uhrenindustrie als kostengünstigerer, aber effektiverer Ersatz für Natursteine verwendet.
Steinreichtum
Sowohl Analoga natürlicher Kristalle als auch solche, die in der Natur nicht vorkommen, werden künstlich gewonnen. Die meisten synthetischen Steine ahmen die chemische und strukturelle Zusammensetzung ihrer natürlichen Gegenstücke nach. So ist Korund eines der beliebtesten synthetischen Mineralien, die von Juwelieren und Uhrmachern verwendet werden und erstmals 1877 vom französischen Wissenschaftler E. Fremy gewonnen wurden. 1902 veröffentlichte sein Schüler Auguste Verneuil die Ergebnisse der Studie eigenen Weg Synthese von Einkristallen aus Aluminiumoxid. Die Verneuil-Methode ist wie folgt: Aluminiumoxidpulver wird bei einer Temperatur von 2150 °C in einen Ofen gegossen. Beim Schmelzen verwandelt sich Aluminium in Tröpfchen, die sich auf einer Auskleidung aus feuerfestem Material absetzen und wachsen. Mittlerweile wird die Verneuil-Methode aktiv zur Herstellung von künstlichem Alexandrit, Amethyst, Rubin, Saphir, Topas, Aquamarin und anderen Mineralien eingesetzt.
Durch das Mischen von Aluminium- und Magnesiumoxiden und die anschließende Anwendung des Verneuil-Verfahrens entsteht synthetischer Spinell, der auch in der Schmuck- und Uhrmacherei verwendet wird. Die Czochralski-Methode wird auch zur Herstellung von Spinell verwendet, dessen Wesen sich am besten durch die Geschichte seiner Entdeckung beschreiben lässt. Im Jahr 1916 ließ der polnische Chemiker Jan Czochralski versehentlich seine Feder in einen Tiegel mit geschmolzenem Zinn fallen und als er sie herausnahm, entdeckte er einen sich dehnenden Metallfaden mit einer monokristallinen Struktur. Auf ähnliche Weise wird nun ein Keim aus dem Material des zukünftigen Kristalls in den Tiegel eingetaucht und man beginnt, ihn ganz langsam anzuheben, woraufhin sich die notwendige neue Schicht darauf aufbaut.
Geboren bei FIAN
Der wichtigste Schritt in der Industrie künstlicher Materialien, die Edelsteine imitieren, wurde in unserem Land gemacht: 1972 synthetisierten Wissenschaftler des Physikalischen Instituts der Akademie der Wissenschaften der UdSSR erstmals einen kubischen Kristall aus Zirkoniumdioxid. Der auf der Basis von Zirkonium- und Hafniumoxiden hergestellte Kunststoff wurde zu Ehren des abgekürzten Namens des FIAN-Instituts Fianit genannt. Durch die allmähliche Abkühlung einer auf 2800 °C erhitzten Schmelze (direktes Hochfrequenzschmelzverfahren) entstehen Kristalle mit einem Gewicht von 200–400 g.
Dank der Kombination aus niedrigen Kosten und hervorragenden optischen Eigenschaften hat Zirkonia eine Mini-Revolution vollzogen: Sein Brechungsindex beträgt 2,15–2,25 und seine Härte beträgt 7,5–8,5 Mohs, was der von Diamant sehr nahe kommt. Die industrielle Produktion von Zirkonia begann 1976 und 1980 erreichte das weltweite Produktionsvolumen 50 Millionen Karat pro Jahr. Im Vergleich dazu ist dies etwa die Hälfte der heutigen weltweiten Rohdiamantenproduktion.
Der sowjetische Name „Cubic Zirconia“ ist auf dem Weltmarkt zum chemischen CZ (Cubic Zirconia) geworden. Aus diesem Grund wird in Übersetzungen aus anderen Sprachen Kubikzirkonia oft mit Zirkon oder Zirkonium verwechselt, was falsch ist. Zirkonium ist ein Metall, es ist undurchsichtig und kann daher nicht in Schmuckeinsätzen verwendet werden. Zirkon ist ein natürliches Mineral, farblos oder bräunlich-gelb, sehr empfindlich: Seine Härte entspricht sechs auf der Mohs-Skala, d. h. es kann leicht durch Quarz zerkratzt werden. Früher wurde Zirkon als Nachahmung des Diamanten verwendet, doch nach der Erfindung des kubischen Zirkons wich er diesem, da kubischer Zirkon nahezu ideale physikalische Eigenschaften aufweist, die den höchsten Anforderungen der Schmuckindustrie gerecht werden.
Kubikzirkonia zeichnet sich unter anderem auch durch seine hohe Wachstumsrate aus. So wächst Diamant bei künstlicher Züchtung um 1,6–3,2 mm/Tag, Apatit um 6,5 mm/Tag und Zirkonia um 8–10 mm/Tag. Korund (0,3–365 mm/Tag) und Quarz (0,06–400 mm/Tag) können schneller wachsen, werden aber in der Schmuckindustrie nicht verwendet.
Das wichtigste Merkmal von Laborkristallen ist ihr Preis: Synthetische Steine sind etwa fünf- bis zehnmal günstiger als ihre natürlichen Gegenstücke. Allerdings hängen die Kosten natürlich von jedem einzelnen Kristall, seinem Schliff und dem Können des Juweliers ab. Somit kostet ein synthetischer Rubin 10-mal weniger als ein natürliches Mineral; der Preisunterschied zwischen künstlichem und natürlichem Smaragd ist nicht so auffällig – nur 2-3-mal. Und der König der Steine – der Diamant – kann in dieser Serie als Ausnahme angesehen werden: Seine einzigartige Struktur lässt sich nur sehr schwer im Labor herstellen, sodass die Kosten für synthetische Diamanten oft mit den Preisen für Natursteine übereinstimmen.
Übrigens können die Kosten für Zirkonia beim Großhandelskauf den unerfahrenen Leser sehr überraschen. Laut einem großen Anbieter verschiedener Dekorationssteine.
Die Forschung an künstlichen Kristallen ist im Gange. Im Jahr 1995 tauchte in den Vereinigten Staaten ein weiteres Material auf, das mit natürlichen Diamanten konkurrierte – Siliziumkarbid, genannt Moissanit. Ein neuer synthetischer Kristall, entwickelt von Wissenschaftlern der University of North Carolina, wurde von Charles & Colvard auf den Markt gebracht und versucht nun mit aller Kraft, den bekannteren Kunststeinen und ihren natürlichen Gegenstücken den Rang abzulaufen. Daher bleiben Chemiker die Vordenker der Schmuckindustrie und entwickeln neue Verbindungen, die die Preisgestaltung, die Mode und die allgemeine Marktsituation erheblich beeinflussen können.
Der Anbau von Rubinkristallen zu Hause steht jedem offen. Für die Arbeit ist kein ausgestattetes Labor, der Erwerb theoretischer und praktischer Kenntnisse auf dem Gebiet der Mineralogie oder der Kauf spezieller chemischer Reagenzien erforderlich. Alles, was Sie brauchen, finden Sie in der Küche.
Es wird empfohlen, mit dem Anbau von Rubinen in kleinen Mengen zu beginnen. Zunächst werden Erfahrungen gesammelt, der gesamte Prozess verstanden und dann beginnt die direkte systematische Arbeit. Die synthetische Herstellung Ihrer eigenen Hände wird natürlichen Mineralien in Schönheit und Attraktivität in nichts nachstehen. Die Steine sind bei Juwelieren gefragt, sodass ein erfolgreiches Erlebnis zusätzliche Einnahmen bringen kann, wenn ein Markt gefunden wird.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zu wachsen. Sie raten Ihnen, alle Optionen auszuprobieren und sich dann für die Option zu entscheiden, die Ihnen gefällt.
Von Menschenhand geschaffene künstliche Edelsteine haben nicht den gleichen chemischen Gehalt und die gleichen physikalischen Eigenschaften wie natürliche. Der Vorteil der Heimtechnik besteht darin, dass Sie damit vollkommen reine Rassen erzeugen können. In der Natur kommt dies äußerst selten vor. Die Schmuckqualität der Laborproben ist recht gut. Ein weiterer Vorteil des Minerals sind seine Kosten. Die Steine sind günstiger als ihre Originale, die aus tiefen Minen stammen.
Organische Salze
Es ist einfach, aus verschiedenen Salzen einen Rubinkristall zu züchten:
- Kupfersulfat;
- Kaliumalaun;
- normales Salz.
Der längste salzbasierte Prozess, die schönsten Exemplare werden aus Vitriol gewonnen. Die Herstellung von Rubinkristallen basiert auf folgenden Schritten:
- Vorbereiten des Behälters. Es sollte Salz und eine gesättigte Wasser-Salz-Lösung enthalten. Sie nehmen heißes Wasser. Der Prozess verläuft schrittweise. Zwei Esslöffel mit Wasser verdünnen und gründlich vermischen. Dann wird Salz hinzugefügt und gemischt. Sie müssen streuen, bis sich das Salz nicht mehr auflöst. Um die Proportionen beizubehalten, nehmen Sie einen Hinweis: eine Tabelle mit der Löslichkeit verschiedener Salze in 100 ml Wasser und ihrem Verhältnis zur Temperatur der Flüssigkeit.
- Filtration der Lösung. Die Lösung muss sauber sein. Schmutzverunreinigungen zerstören die Struktur des Steins. Darin werden Mängel sichtbar sein. Die Lösung verbleibt 24 Stunden lang. Während dieser Zeit bilden sich Kristalle am Boden des Behälters. Sie werden zur Basis des Rubins.
- Wachstum eines künstlichen Minerals. An dem Stein am Boden des Glases ist eine Angelschnur befestigt. Es wird um einen Bleistift oder Holzstab gewickelt. Das Gerät wird auf dem Container installiert. Der Kristall befindet sich in gelöstem, suspendiertem Zustand. Wasser neigt dazu, zu verdampfen, die gesättigte Salzlösung gibt einen Überschuss ab, der auf der resultierenden Probe fixiert wird.
- Salzlösung hinzufügen. Sie benötigen immer eine bestimmte Menge Wasser; wenn diese zu wenig wird, hört der Kristall auf zu wachsen. Bei normaler Raumtemperatur wird alle 2 Wochen einmal Wasser hinzugefügt.
Alchemisten aus der Wissenschaft
Im Laufe ihrer Existenz haben die Menschen versucht, nicht nur ein Wunder zu finden, sondern auch damit Geld zu verdienen, um beispielsweise Gold aus Blei zu gewinnen oder Bergkristall in Diamanten umzuwandeln. Der legendärste Alchemist ist der Franzose Nicolas Flamel, dem die Erlangung des Steins der Weisen (kristallines weißes Pulver) zugeschrieben wird, der Blei in Gold verwandeln kann. Und obwohl Flamels wissenschaftliche Arbeiten uns nicht erreicht haben, sind in den Pariser Archiven Dokumente erhalten geblieben, die belegen, dass der bescheidene Buchhändler plötzlich reich wurde: Er kaufte 13 Häuser, große Grundstücke in Paris und Boulogne, baute 12 Kirchen und mehrere Krankenhäuser.
Allerdings glauben Wissenschaftler natürlich nicht, dass es im Mittelalter jemandem gelungen ist, an echtes Gold oder Diamanten zu kommen – das sind alles Märchen. Die Revolution fand im 20. Jahrhundert statt, als Technologie und Technologie die notwendige Entwicklung erreichten. Keine Alchemie, rein wissenschaftlicher Ansatz.
Wie Sie wissen, sind echte (natürliche) Edelsteine nur feste Salze verschiedener Metalle, deren Moleküle in einer geordneten Struktur, der sogenannten, organisiert sind. Kristallgitter. In der Natur entstanden Kristalle über Millionen von Jahren, tief in der Erdkruste, bei hohen Temperaturen (bis zu 2000 °C) und unter enormem Druck von Hunderttausenden Atmosphären. Es gibt nur sehr wenige Orte, an denen solche Bedingungen herrschten, was die Seltenheit von Edelsteinen erklärt (für die sie tatsächlich geschätzt werden). Um ein Analogon natürlicher Mineralien zu synthetisieren, mussten Wissenschaftler natürliche Phänomene unter Laborbedingungen und in einer beschleunigten Version reproduzieren. Derart hohe Temperaturen und Drücke konnten erst zu Beginn des letzten Jahrhunderts erreicht werden.
Dieses Geschäft erwies sich als sehr hochtechnologisch und kostspielig, aber nicht ohne Bedeutung – Bergbauunternehmen konnten aus objektiven Gründen die Nachfrage nach Steinen nicht befriedigen, und die sich aktiv entwickelnde Industrie verlangte nach neuen Diamanten, Saphiren und Rubinen. Derzeit wird der weltweite Markt für synthetische Steine auf mehr als 6 Milliarden US-Dollar geschätzt; Ungefähr 86 % stammen aus Kristallen, die für den industriellen Bedarf gewonnen werden, 14 % werden für den Bedarf von Juwelieren verwendet.
In Russland werden fast alle Arten von Kristallen synthetisiert, jedoch in geringen Mengen. In Troizk bei Moskau werden Diamanten angebaut, in Selenograd - Saphire, Granate, Rubine, in der Nähe von Nischni Nowgorod - Rubine, in Nowosibirsk - Smaragde. Michail Borik, leitender Forscher am Wissenschaftlichen Zentrum für Lasermaterialien und -technologien des nach ihm benannten IOFAN. BIN. Prochorowa: So geschah es historisch: In welcher Stadt wurde zu Sowjetzeiten eine Methode zur Gewinnung dieses oder jenes Kristalls entwickelt, dort wird er noch immer synthetisiert. Es entstanden fast keine neuen Industrien. Doch der Bedarf an künstlichen Kristallen wächst stetig und es gibt nicht genügend Spezialisten.
Khachik Bagdasarov: „Ausrüstung für die Kristallzüchtung kostet 300.000 bis 400.000 US-Dollar und beginnt sich im zweiten Jahr zu amortisieren.“
Rubinfieber
Im Jahr 1902 gelang es dem französischen Ingenieur Verneuil nach zahlreichen erfolglosen Versuchen endlich, einen kleinen Rubinkristall mit einem Gewicht von 6 g zu synthetisieren. Tatsächlich wurde er zum allerersten künstlichen Edelstein, der mit einem natürlichen identisch war. Aus kommerzieller Sicht war Verneuils Wunsch, einen Rubin zu erhalten, völlig berechtigt – es gibt in der Natur nur sehr wenige Rubine. Heutzutage werden weltweit jährlich etwa fünf Tonnen Rubine abgebaut, während die Nachfrage Hunderte von Tonnen beträgt (sie werden hauptsächlich nicht von Juwelieren, sondern von Uhrmachern benötigt).
Die Ausgangssubstanz, die sogenannte Verneuil leitete die Mischung (Aluminiumoxidpulver mit einer Beimischung von Chrom) durch einen Gasbrenner bei einer Temperatur von 2150 °C und die resultierende Schmelze begann mit sinkender Temperatur langsam zu kristallisieren und verwandelte sich in Rubin. Die offensichtliche Einfachheit und Zuverlässigkeit der Verneuil-Methode führte zu einer raschen Organisation der industriellen Produktion von Rubinkristallen, zunächst in Frankreich und später in fast allen hochentwickelten Ländern. Dank synthetischer Rubine wurden zahlreiche Entdeckungen möglich. Beispielsweise wurde ein auf Rubin basierender Laser erfunden, der es ermöglichte, die Entfernung von der Erde zum Mond genau zu messen, den Weltraum für die Kommunikation zu nutzen usw.
Später stellte sich heraus, dass es mit Hilfe der Rubinsynthesetechnologie möglich ist, andere wertvolle Kristalle – Saphire und Granate – zu gewinnen: Zuerst schmilzt die ursprüngliche Substanz bei hohen Temperaturen, dann wird sie unterkühlt und kristallisiert dadurch. Die Technologie ist einfach und, was am interessantesten ist, zugänglich, wie von angegeben Khachik Bagdasarov, Leiter der Abteilung für Hochtemperaturkristallisation, benannt nach dem Institut für Kristallographie. EIN V. Shubnikov RAS (beschäftigt sich mit der Synthese von Saphiren, Rubinen und Granaten). Noch seltsamer ist, dass sich in Russland nur wenige Unternehmen und Labore an Forschungsinstituten mit der Synthese von Kristallen befassen. Heutzutage gilt die Bagdasarov-Methode, die am Forschungsinstitut für Kristallographie der Russischen Akademie der Wissenschaften erfunden wurde, als die kostengünstigste. Khachik Bagdasarov: Ich war 1965 der erste, der die sogenannte horizontal gerichtete Kristallisation zur Synthese von Granaten einsetzte, und diese Technologie erwies sich im Vergleich zur gängigen Verneuil-Methode als deutlich wirtschaftlicher. Die Erklärung ist einfach: Strom macht einen großen Teil der Kristallkosten aus, da hohe Temperaturen und Drücke aufrechterhalten werden müssen. Wenn eine horizontale Platte anstelle eines vertikalen Stabs synthetisiert wird, wird deutlich weniger Energie aufgewendet.
Experten zufolge ist die weltweite Nachfrage nach Rubinen, Saphiren und Granaten, die durch die Entwicklung der Elektronikindustrie beflügelt wurde, jedoch immer noch nicht gedeckt. Saphirkristalle werden nicht nur von Uhrenfirmen (insbesondere Schweizer) für die Produktion von Raumschifffenstern und Zielraketenköpfen benötigt, sondern auch von Mobiltelefonherstellern, deren jährlicher Bedarf bei etwa 6 Milliarden Brillen liegt! Die besten Laser werden mit durch Neodym-Ionen aktiviertem Granat hergestellt. Juweliere schätzen mittlerweile besonders Granate in den Farben Grün und Rosa, die durch die Zugabe von Thulium bzw. Erbium gewonnen werden (1 kg - 20-25 $).
Allerdings wächst die Nachfrage nach feuerfesten Kristallen nur bei westlichen Unternehmen; in Russland geht sie aufgrund des Rückgangs der Elektronikproduktion gegen Null. Khachik Bagdasarov: Saphir wird am meisten von koreanischen (für den Bedarf der Uhrenindustrie) und japanischen (für Optik) Unternehmen nachgefragt. Insgesamt werden weltweit jährlich etwa tausend Tonnen Saphire synthetisiert. Russland ist in dieser Angelegenheit ein klarer Außenseiter. Wurden beispielsweise bis in die 90er Jahre in der UdSSR etwa 180 Tonnen Rubine und etwa 50 Tonnen Saphire angebaut, so wurden heute nur noch 10-20 Tonnen Rubin, etwa 20 Tonnen Saphir und 100-120 kg Granate angebaut.
Laut Igor Alyabyev, stellvertretender Direktor der Firma ROCOR (die Saphirprodukte herstellt), belaufen sich die Kosten für die Züchtung von 1 kg Saphirkristallen auf etwa 600 US-Dollar, wovon man 100 Platten mit einem Gewicht von 5 g und einem Preis von jeweils 12 US-Dollar erhalten kann. Ein synthetischer Rubin kostet für die Schmuckindustrie etwa 60 US-Dollar pro Kilogramm (zum Vergleich: ein Karat (0,2 g) eines Natursteins kostet 50 US-Dollar), für technische Zwecke ab 70 US-Dollar pro Kilogramm. Darüber hinaus gilt: Je größer der Einkristall, desto teurer ist er und desto geringer sind die Synthesekosten. So wird ein einzelner Saphirkristall mit einem Gewicht von bis zu 6 kg auf 5.000 bis 10.000 US-Dollar geschätzt, während die Kosten für ein Kilogramm etwa 200 US-Dollar betragen (und der Verkaufspreis für 1 kg 500 US-Dollar beträgt). Die Rentabilität eines Unternehmens ist nicht schwer zu berechnen, und diese Zahlenreihenfolge gilt für alle drei oben genannten Kristalle. Das weltweite Volumen der Saphirsynthese beträgt etwa tausend Tonnen.
Mittlerweile konzentriert sich die größte Produktion synthetischer Rubine (Hunderte Millionen Karat pro Jahr) auf die Schweiz, Frankreich, Deutschland, die USA und Großbritannien. Spezielle Kristallisationseinheiten werden im Taganrog Electrothermal Equipment Plant hergestellt. Khachik Bagdasarov: Inländische Geräte kosten etwa 50.000 US-Dollar, westliche Geräte 300.000 bis 400.000 US-Dollar. Ein wichtiger Punkt: Für profitable Mengen ist es sinnvoll, eine Produktionsanlage mit mindestens zehn Anlagen zu schaffen. Ein Produktionszyklus dauert zwei bis drei Tage, in denen aus einer Anlage 2 kg Kristalle entnommen werden können. Bereits im zweiten Jahr wird die Ausrüstung „zurückbrechen“.
Steinidentifikation
Wie Bagdasarov versichert, ist die Struktur von Kunst- und Natursteinen (sowie Aussehen) ist identisch und es ist ganz natürlich, dass im Labor synthetisierte Edelmineralien für Fälscher interessant sind. „Vor etwa zehn Jahren kam ein Inder zu mir und bat mich, Rubine zu synthetisieren, die nicht von Natursteinen zu unterscheiden waren. Doch nach einiger Zeit verschwand der Inder, obwohl es sich um einen identischen Edelstein handelte Für uns ist es nicht besonders schwierig, es zu einem natürlichen anzubauen, und der Käufer wird es nie von einem natürlichen unterscheiden“, sagt er.
Michail Borik: In Juweliergeschäften gibt es zahlreiche Artikel aus unter Laborbedingungen gewonnenen Rubinen und Saphiren. Ein normaler Käufer wird sie definitiv nicht mit dem Auge unterscheiden können. Selbst die meisten Verkäufer in Juweliergeschäften wissen selbst nicht, was sie verkaufen. Es stimmt, bekannte Schmuckhersteller, die Wert auf ihren Ruf legen, verbergen nie, was synthetisch und was natürlich ist. Beim Kauf von teurem Schmuck sollten Sie jedoch immer ein Echtheitszertifikat des Steins verlangen.
Wie Khachik Bagdasarov versichert, wurden in den Finanzministerien aller entwickelten Länder spezielle Abteilungen eingerichtet, um den Fortschritt der Wissenschaftler zu überwachen, als die Wissenschaft Mitte der 50er Jahre der Synthese von Diamanten nahe kam. Stellen wir uns vor, dass synthetische Diamanten, die nicht von natürlichen zu unterscheiden sind, auf den Markt strömen – die Volkswirtschaften einiger Länder werden einfach zusammenbrechen und die strategischen Diamantenreserven einiger Länder werden zu Staub zerfallen.
Drillers beste Freunde
Jedes Jahr werden auf der Welt durchschnittlich 100–110 Millionen Karat (ca. 20 Tonnen) Diamanten abgebaut, und auf dem Weltmarkt kostet 1 Karat natürlicher Diamant ab 55 US-Dollar, allerdings sind die meisten Steine nicht für Schmuck geeignet aufgrund von Mängeln, Rissen und Fremdeinschlüssen, aber in der Industrie gefragt, vor allem im verarbeitenden Gewerbe, das hohe Festigkeitseigenschaften des Minerals erfordert. Experten zufolge benötigt die Werkzeug-, Metall- und Steinverarbeitungsindustrie jedoch etwa viermal mehr Diamanten, als gefördert werden, und in einer Reihe von High-Tech-Bereichen (bei der Herstellung elektronischer Elemente, Sensoren für ultraviolette Strahlung) ist dies nahezu unmöglich Verwenden Sie natürliche Rohstoffe, da 98 % der natürlichen Diamanten Stickstoff enthalten. Künstliche Diamanten sind frei von allen natürlichen Mängeln, weil... Dem Menschen gelang es, für sie ideale Synthesebedingungen zu schaffen.
In den Jahren 1953-1954 gelang es Wissenschaftlern zweier unabhängiger Forschungsgruppen – der schwedischen Firma ASEA und der amerikanischen General Electric – als erste, Diamanten mit einer Größe von weniger als 1 mm zu synthetisieren. Dazu wurde eine Mischung aus Graphit und Eisen bei einer Temperatur von etwa 2500 °C geschmolzen und die resultierende Schmelze dann in ein festes komprimierbares Medium mit einem Druck von 70–80.000 Atmosphären gegeben. Wassili Bugakow, Stellvertretender Direktor des Instituts für Hochdruckphysik (Troitsk; beschäftigt sich mit Diamantsynthese): Synthetischer Diamant wird wie natürlicher Diamant in Karat gemessen und kostet auf dem Weltmarkt etwa 10 US-Dollar pro Karat, fünfmal billiger als natürlicher Diamant. Gleichzeitig betragen die Kosten für Rohstoffe und Strom nur 5 US-Dollar pro Karat. Derzeit steht Russland beim Anbau synthetischer Diamanten an dritter Stelle und produziert jährlich 25 Millionen Karat.
Obwohl Diamanten nur im Interesse der Industrie synthetisiert werden, sind Kunststeine in Schmuckqualität den Natursteinen preislich immer noch überlegen. Darüber hinaus ist die Größe der synthetisierten Diamanten auf 3 mm begrenzt, weil Es gibt einfach noch keine Materialien, die solch hohen Temperaturen und Drücken bei großen Kammervolumina standhalten. Eine Anlage zur Synthese von 200 kg Diamanten pro Monat kann für 30.000 US-Dollar erworben werden.
Im Gegensatz zu Diamanten werden synthetisierte Smaragde ausschließlich für Schmuck verwendet, obwohl sie objektiv aufgrund der fehlenden Streuung, d. h. nicht besonders schön sind. Zerlegung des Sonnenlichts in ein Spektrum und werden allein aufgrund ihrer Seltenheit sowie der geringen Produktionsmengen geschätzt (weltweit werden jedes Jahr nur 500 kg natürlicher Smaragd abgebaut, davon 300 kg im russischen Ural).
Smaragd wird im Gegensatz zur Masse der Kristalle nicht aus einer Rohstoffschmelze (Smaragd zersetzt sich beim Erhitzen), sondern aus einer Borsäureanhydridlösung gewonnen, die in speziellen Hydrothermalkammern bei relativ niedrigen Temperaturen (ca. 400 °C) und Druck synthetisiert wird ( etwa 500 Atmosphären). Eine hydrothermale Anlage zur Synthese von Smaragden ist relativ kostengünstig (5.000 bis 10.000 US-Dollar), weist jedoch eine geringe Produktivität auf (bis zu 10 kg Kristalle pro Monat). Die Kosten für 1 kg Smaragd betragen 100–200 US-Dollar, und der Verkaufspreis für ein Karat entspricht ungefähr dem Preis eines Natursteins – etwa 2 US-Dollar.
Jedes Jahr werden in Russland in einem Unternehmen in Nowosibirsk bis zu 100 kg Smaragde synthetisiert, weltweit nicht mehr als eine Tonne.
Im Gegensatz zur Natur
Im Jahr 1968 erhielten russische Physiker einen transparenten Kristall, der keinen natürlichen Zwilling hatte, und nannten ihn zu Ehren ihres Physikalischen Instituts der Akademie der Wissenschaften (FIAN) kubisches Zirkonoxid, obwohl die ersten Experimente zur Synthese solcher Kristalle durchgeführt wurden bereits in den 20er Jahren von französischen Chemikern entwickelt.
Der Zweck der Synthese von kubischem Zirkoniumdioxid bestand darin, einen Kristall für die Verwendung in Lasern zu erhalten. Zwar konnte Kubikzirkonia Granat in seinen „Laser“-Eigenschaften nicht übertreffen, aber seine ungewöhnliche Schönheit, Vielfarbigkeit und niedrigen Kosten wurden von Juwelieren geschätzt (bis zu 98 % des Kubikzirkonia werden für ihren Bedarf hergestellt). Für die Operation steht ein Skalpell mit Zirkonia (500 US-Dollar) zur Verfügung – Tatsache ist, dass manche Menschen allergisch auf Metall reagieren und eine Klinge aus Zirkonia ermöglicht es Ihnen, eine allergische Reaktion zu vermeiden.
Kubisches Zirkonoxid wird aus einer Mischung von Zirkonium-, Aluminium- und Natriumoxiden synthetisiert. Der Prozess ist praktisch abfallfrei, weil Bruchstücke und misslungene Kristalle werden wieder eingeschmolzen. Aus 100 kg Rohstoffen pro Tag werden mit einem Hochfrequenzgenerator (ca. 50.000 US-Dollar) bis zu 30 kg kubische Zirkonoxidkristalle gewonnen. Die Transparenz des Steins hängt von der Schmelztemperatur ab – je höher die Temperatur, desto transparenter ist der Kristall. Elena Lomonova, Leiter des Labors des Wissenschaftlichen Zentrums für Lasermaterialien und -technologien IOFAN: Das Züchten von Zirkonia ist einfach und angenehm, und durch die Zugabe bestimmter Verunreinigungen können Sie einzigartige Kristalle in Farben erzeugen, die in der Natur nicht vorkommen, wie z. B. Lavendel, oder ungewöhnliche optische Effekte erzielen, wie z. B. Farbveränderungen bei wechselnden Lichtverhältnissen – die sogenannten. Alexandrit-Effekt.
UdSSR lange Zeit blieb ein Monopolist in der Herstellung von Zirkonia und diktierte Preise, die anfänglich 3.000 US-Dollar pro Kilogramm erreichten (obwohl die Frage der Priorität bei der Herstellung von Zirkonia sehr umstritten ist, haben die Amerikaner sie sogar vor Gericht angefochten). Wjatscheslaw Osiko, Direktor des Wissenschaftlichen Zentrums für Lasermaterialien und -technologien IOFAN: Sie begannen, auf betrügerische Weise Zirkonia aus der UdSSR zu exportieren und sie als Diamanten auszugeben. Um Schmuckbetrug zu bekämpfen, wurden sogar KGB-Offiziere darin geschult, Edelsteine von Fälschungen zu unterscheiden. Wegen seiner Fähigkeit, mit allen Farben des Regenbogens zu spielen, nennen Juweliere den Zirkonia einen dreisten Stein. Mittlerweile werden weltweit jährlich über 1.000 Tonnen Kubikzirkonia synthetisiert, und ihr Preis ist auf 60 US-Dollar pro 1 kg gesunken. Gleichzeitig belaufen sich die Kosten für ein Kilogramm Zirkonia laut Experten auf etwa 30 US-Dollar.
Kristall der Zukunft
Allerdings wird synthetisiertes Silizium, das in der Mikroelektronikindustrie, Solarbatterien und anderen Hightech-Geräten unverzichtbar ist, in puncto Wachstum der weltweiten Produktionsmengen und Rentabilität auf absehbare Zeit mit keinem Kristall mithalten können. Jährlich werden weltweit mehr als 30.000 Tonnen Silizium produziert, und Prognosen zufolge wird sich diese Zahl bis 2010 verdoppeln (Siliziumkristalle nehmen derzeit 80 % des Weltmarktes aller künstlichen Kristalle ein). Aufgrund der wachsenden Produktion von Computer- und Mikroprozessorgeräten herrscht jedoch Experten zufolge weltweit ein katastrophaler Siliziummangel.
Vyacheslav Osiko: „Einst wurden kubische Zirkone exportiert und als Diamanten ausgegeben.“
In Russland sind sowohl der Siliziumverbrauch als auch seine Produktion äußerst unbedeutend, und zwar aus demselben Grund wie der Rückgang der Elektronikproduktion. Und wenn 1990 in der UdSSR 360 Tonnen Silizium angebaut wurden, waren es im vergangenen Jahr in der Russischen Föderation nur 270 Tonnen, davon nur 50 Tonnen für den Inlandsmarkt. Heute kostet 1 kg Silizium 100 US-Dollar, während die Rentabilität der Produktion Experten zufolge über 100 % liegt.
Wie Khachik Baghdasaryan versichert, können sich Investitionen in die Produktion von Silizium und in die Produkte, für die es benötigt wird, als Goldgrube erweisen, und der Rohstoff für seine Synthese (normaler Sand) ist buchstäblich unter den Füßen: „Vor drei Jahren wurde in Deutschland Ich habe einen jungen Unternehmer kennengelernt, der buchstäblich mit einem Lötkolben mit der Produktion von Solarmodulen begonnen hatte und nun mit einem Jahresgewinn von 20 Millionen Euro längst zu einem strategischen Material geworden ist, das die wissenschaftliche und technologische Entwicklung des Landes bestimmt.“
Der Leiter des Labors des Staatlichen Wissenschaftlichen Zentrums für Seltene Metalle, Mikhail Milvidsky, behauptet, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt daran arbeiten, die Siliziumproduktion zu steigern, weil Solarenergie im Vergleich zu Öl, Gas und Kohle billig, umweltfreundlich und endlos sei. Khachik Baghdasaryan: Nach Ansicht vieler Wissenschaftler werden bis zum Ende des 21. Jahrhunderts bis zu 80 % des weltweiten Stroms aus Sonnen- oder Windenergie erzeugt. Und Silizium ist im ersten Fall ein unersetzliches Material.
Zwar ist die „Atomlobby“ in Russland daran nicht interessiert, und wenn in der Welt die Entwicklung hin zu sicheren und umweltfreundlichen Methoden der Stromerzeugung schon seit langem offensichtlich ist, sind unsere Prozesse das Gegenteil.
OLESYA DEINEGA, DMITRY TICHOMIROV
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FELDFORSCHUNG Etwas über Diamanten Der teuerste Naturstein ist Diamant, der derzeit in 26 Ländern abgebaut wird (die größten davon sind Russland, Botswana und Südafrika). Jedes Jahr werden weltweit durchschnittlich 100–110 Millionen Karat (20 Tonnen) Diamanten abgebaut. Ihr hoher Preis (55 US-Dollar pro Karat) erklärt sich nicht nur durch die Eigenschaften der Steine, sondern auch durch den Grad der Monopolisierung im Handel: Bekanntlich kontrolliert die De Beers Corporation 70-80 % der auf den Markt gebrachten natürlichen Diamanten. Nach Angaben des Finanzministeriums belief sich das Volumen der Diamantenproduktion in Russland im ersten Halbjahr 2005 auf 17,7 Millionen Karat bei einem Durchschnittspreis von 51 US-Dollar pro Karat. Die Exporte von rohen Naturdiamanten aus dem Territorium der Russischen Föderation beliefen sich im Januar-September 2005 auf 23,6 Millionen Karat, wovon der Anteil von Schmuckdiamanten 20-25 % betrug. VORURTEIL Die geheime Kraft der Steine Seit der Antike dienen Edelsteine als Schmuck und Talismane. Beispielsweise trugen die Ägypter gerne Schmuck aus Smaragden, Türkisen, Amethysten und Bergkristall. Die Römer schätzten Diamanten und Saphire über alles. Oftmals deutete der Stein auf den Beruf seines Besitzers hin. Seeleute glaubten, dass Smaragde auf langen Reisen vor Gefahren schützten, Turmalin inspirierte Künstler und Amethyste schützten Geistliche vor Versuchungen. Es wird angenommen, dass nur ein gespendeter oder geerbter Stein ein Talisman sein kann. |
Künstliche Kristalle
Seit langem träumt der Mensch davon, Steine zu synthetisieren, die genauso wertvoll sind wie die, die in der Natur vorkommen. Bis ins 20. Jahrhundert Solche Versuche waren erfolglos. Doch 1902 gelang es, Rubine und Saphire zu gewinnen, die die Eigenschaften von Natursteinen hatten. Später, in den 1940er Jahren, wurden Smaragde synthetisiert, und 1955 berichteten General Electric und das Physikalische Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR über die Herstellung künstlicher Diamanten.
Viele technologische Anforderungen an Kristalle haben die Erforschung von Methoden zur Züchtung von Kristallen mit vorgegebenen chemischen, physikalischen und elektrischen Eigenschaften angeregt. Die Bemühungen der Forscher waren nicht umsonst und es wurden Methoden gefunden, um große Kristalle aus Hunderten von Substanzen zu züchten, von denen viele kein natürliches Analogon haben. Im Labor werden Kristalle unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen gezüchtet, um die gewünschten Eigenschaften zu gewährleisten. Prinzipiell entstehen Laborkristalle jedoch auf die gleiche Weise wie in der Natur – aus einer Lösung, Schmelze oder Dampf. So werden piezoelektrische Rochelle-Salzkristalle aus einer wässrigen Lösung bei Atmosphärendruck gezüchtet. Große optische Quarzkristalle werden ebenfalls aus Lösung gezüchtet, allerdings bei Temperaturen von 350–450 °C und einem Druck von 140 MPa. Rubine werden bei Atmosphärendruck aus Aluminiumoxidpulver synthetisiert, das bei einer Temperatur von 2050 °C geschmolzen wird. Siliziumkarbidkristalle, die als Schleifmittel verwendet werden, werden aus Dampf in einem Elektroofen gewonnen.
Anwendung von Flüssigkristallen in Geräten
Informationsanzeige
Damals schien die Existenz von Flüssigkristallen eine Art Kuriosum zu sein, und niemand konnte sich vorstellen, dass sie fast hundert Jahre später eine große Zukunft in technischen Anwendungen haben würden. Daher gerieten Flüssigkristalle nach einiger Zeit praktisch in Vergessenheit, nachdem man sich unmittelbar nach ihrer Entdeckung für Flüssigkristalle interessierte.
Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert standen viele angesehene Wissenschaftler der Entdeckung von Reinitzer und Lehmann sehr skeptisch gegenüber. Tatsache ist, dass nicht nur die beschriebenen widersprüchlichen Eigenschaften von Flüssigkristallen vielen Experten als sehr zweifelhaft erschienen, sondern auch, dass sich die Eigenschaften verschiedener flüssigkristalliner Substanzen als deutlich unterschiedlich herausstellten. Einige Flüssigkristalle hatten eine sehr hohe Viskosität, während andere eine niedrige Viskosität hatten. Mit der Zeit sammelten sich nach und nach Fakten über Flüssigkristalle, aber es gab kein allgemeines Prinzip, das es uns ermöglichen würde, eine Art System in den Ideen über Flüssigkristalle zu etablieren. Der Verdienst, die Grundlagen der modernen Klassifizierung von Flüssigkristallen geschaffen zu haben, gebührt dem französischen Wissenschaftler J. Friedel. In den 20er Jahren schlug Friedel vor, alle Flüssigkristalle in zwei große Gruppen einzuteilen. Eine Gruppe nannte er nematisch, die andere smektisch. Er schlug auch einen allgemeinen Begriff für Flüssigkristalle (mesomorphe Phase) vor. Friedel wollte betonen, dass Flüssigkristalle sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch ihrer physikalischen Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen echten Kristallen und Flüssigkeiten einnehmen. Zu den nematischen Flüssigkristallen in Friedels Klassifikation gehörten die oben bereits als Klasse genannten cholesterischen Flüssigkristalle. Die „kristallinsten“ Flüssigkristalle sind smematische Kristalle. Smetische Kristalle zeichnen sich durch eine zweidimensionale Ordnung aus. Die Moleküle werden so platziert, dass ihre Achsen parallel sind. Darüber hinaus „verstehen“ sie den Befehl „sei gleich“ und werden in geordneten Reihen angeordnet, auf smatischen Ebenen gepackt und in Reihen auf nematischen Ebenen.
Anwendung
Die Anordnung der Moleküle in Flüssigkristallen verändert sich unter dem Einfluss von Faktoren wie Temperatur, Druck, elektrischen Magnetfeldern; Änderungen in der Anordnung von Molekülen führen zu Änderungen der optischen Eigenschaften wie Farbe, Transparenz und der Fähigkeit, die Polarisationsebene des durchgelassenen Lichts zu drehen. Dies ist die Grundlage für zahlreiche Anwendungen von Flüssigkristallen. Beispielsweise wird die Abhängigkeit der Farbe von der Temperatur in der medizinischen Diagnostik genutzt. Durch das Auftragen bestimmter Flüssigkristallmaterialien auf den Körper des Patienten kann der Arzt von der Krankheit betroffene Gewebe leicht anhand von Farbveränderungen an Stellen identifizieren, an denen diese Gewebe erhöhte Wärmemengen erzeugen. Durch die Temperaturabhängigkeit der Farbe können Sie außerdem die Qualität von Produkten kontrollieren, ohne diese zu zerstören. Wenn ein Metallprodukt erhitzt wird, verändert sein innerer Defekt die Temperaturverteilung auf der Oberfläche. Diese Defekte werden durch Farbveränderungen auf der Oberfläche des Flüssigkristallmaterials identifiziert. Flüssigkristalle werden häufig bei der Herstellung von Armbanduhren und Taschenrechnern verwendet. Es entstehen Flachbildfernseher mit dünnen Flüssigkristallbildschirmen. Vor relativ kurzer Zeit wurden Kohlenstoff- und Polymerfasern auf Basis von Flüssigkristallmatrizen erhalten.
Zukünftige Anwendungen von Flüssigkristallen
Kontrollierte optische Transparenz. Es ist bekannt, dass die Massenproduktion großer Flachbildschirme auf Flüssigkristallbasis eher mit Schwierigkeiten technologischer als grundlegender Natur konfrontiert ist. Obwohl die Möglichkeit der Herstellung solcher Bildschirme grundsätzlich nachgewiesen ist, erweisen sich ihre Kosten aufgrund der Komplexität ihrer Herstellung mit moderner Technologie als sehr hoch. Daher entstand die Idee, Flüssigkristall-Projektionsgeräte zu entwickeln, bei denen das auf einer kleinen Flüssigkristall-Leinwand erhaltene Bild in vergrößerter Form auf eine normale Leinwand projiziert werden könnte, ähnlich wie es in einem Kino mit Filmeinzelbildern geschieht. Es stellte sich heraus, dass solche Vorrichtungen auf Flüssigkristallen implementiert werden können, wenn wir Sandwichstrukturen verwenden, in denen eine Fotohalbleiterschicht mit einer Flüssigkristallschicht enthalten ist. Mithilfe eines Fotohalbleiters wird mithilfe eines Lichtstrahls ein Bild in einem Flüssigkristall aufgezeichnet. Das Prinzip der Bildaufnahme ist sehr einfach. Ohne Beleuchtung des Fotohalbleiters ist seine Leitfähigkeit sehr gering, daher fällt fast die gesamte an den Elektroden der optischen Zelle anliegende Potentialdifferenz, in die zusätzlich eine Fotohalbleiterschicht eingebracht ist, auf diese Fotohalbleiterschicht. In diesem Fall entspricht der Zustand der Flüssigkristallschicht dem Fehlen einer Spannung an ihr. Wenn ein Fotohalbleiter beleuchtet wird, steigt seine Leitfähigkeit stark an, da das Licht in ihm zusätzliche Stromträger (freie Elektronen und Löcher) erzeugt. Dadurch kommt es zu einer Umverteilung der elektrischen Spannungen in der Zelle – nun fällt nahezu die gesamte Spannung über die Flüssigkristallschicht ab und der Zustand der Schicht, insbesondere ihre optischen Eigenschaften, ändern sich je nach Größe der angelegten Spannung. Somit ändern sich die optischen Eigenschaften der Flüssigkristallschicht als Ergebnis der Wirkung der Schicht.
Brillen für Astronauten
Beim Kennenlernen einer Maske für einen Elektroschweißer und einer Brille für ein Stereofernsehen fiel uns auf, dass bei diesen Geräten ein kontrollierter Flüssigkristallfilter sofort das gesamte Sichtfeld eines oder beider Augen blockiert. Es gibt eine Situation, in der es unmöglich ist, das gesamte Sichtfeld einer Person zu blockieren, gleichzeitig aber bestimmte Teile des Sichtfelds blockiert werden müssen.
Ein solcher Bedarf kann beispielsweise bei Astronauten entstehen, wenn sie im Weltraum unter extrem hellem Sonnenlicht arbeiten. Dieses Problem kann, wie bei einer Maske für einen Elektroschweißer oder einer Brille für ein Stereofernsehen, durch steuerbare Flüssigkristallfilter gelöst werden. Bei diesen Brillen muss nun das Sichtfeld jedes Auges nicht durch einen Filter, sondern durch mehrere unabhängig voneinander gesteuerte Filter blockiert werden. Beispielsweise können im Formular Filter vorgenommen werden konzentrische Ringe mit einem Mittelpunkt in der Mitte der Brille oder in Form von Streifen auf der Brille, die im eingeschalteten Zustand jeweils nur einen Teil der Sicht des Auges abdecken.
Solche Brillen können nicht nur für Astronauten nützlich sein, sondern auch für Menschen anderer Berufe, beispielsweise für Piloten moderner Flugzeuge, wo es eine große Anzahl von Instrumenten gibt. Solche Brillen werden auch bei biomedizinischen Studien zur Arbeit von Bedienern, die mit der Wahrnehmung großer Mengen visueller Informationen verbunden sind, sehr nützlich sein.
Filter dieser Art und Flüssigkristallindikatoren werden zweifellos breite Anwendung in Film- und Fotogeräten finden (und finden dies bereits jetzt). Für diese Zwecke sind sie attraktiv, weil ihre Steuerung nur einen unbedeutenden Energieaufwand erfordert und in manchen Fällen die Eliminierung von Teilen aus der Ausrüstung ermöglicht. mechanische Bewegungen ausführen. Welche mechanischen Teile von Film- und Fotogeräten meinen Sie? Dies sind Blenden, Filter – Lichtflussdämpfer und schließlich Lichtflussunterbrecher in einer Filmkamera, die mit der Bewegung des Fotofilms synchronisiert sind und dessen Bild-für-Bild-Belichtung gewährleisten.
Photonische Kristalle– eines der Ziele der Nanotechnologie, eines interdisziplinären Feldes, das als Grundlage der Technologie im 21. Jahrhundert dient. in allen Bereichen menschlichen Handelns (Informatik, Medizin, Metalltechnik etc.). Der Begriff „photonischer Kristall“ tauchte in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts auf.
In den letzten 10 Jahren ist das Interesse an photonischen Kristallen und darauf basierenden Geräten sowohl bei Physikern als auch bei führenden High-Tech-Unternehmen und Unternehmen militärisch-industrieller Komplexe gestiegen. Die Situation wird mit der Zeit der rasanten Entwicklung der integrierten Mikroelektronik in den 1960er Jahren verglichen und durch die Möglichkeit bestimmt, optische Mikroschaltungen in Analogie zu den Schaltungen der klassischen Mikroelektronik zu schaffen. Es eröffnet sich die Möglichkeit grundlegend neuer Möglichkeiten der Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Informationen auf Basis von Materialien neuartigen Typs (Photonik). Es ist geplant, einen neuen Lasertyp mit niedriger Laserschwelle und optischen Schaltern zu entwickeln. Allerdings ist die Schaffung dreidimensionaler photonischer Kristalle (sie dürften nämlich zu grundlegenden Veränderungen in der Technologie führen) eine ziemlich schwierige Aufgabe.
Photonische Kristalle haben eine erstaunliche Möglichkeit zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen eröffnet – indem sie Fallen für Photonen schaffen. Dies ist ein Bereich in einem Kristall, aus dem Photonen nicht entweichen können, da im umgebenden Material kein photonisches Leitungsband vorhanden ist. Die Situation wird mit einem geladenen Leiter verglichen, der von einem Dielektrikum umgeben ist. Die paradoxe Situation, „ein Photon zu stoppen“, dessen Masse Null ist, widerspricht nicht den Gesetzen der Physik, da es sich nicht um ein freies Photon handelt, das mit einer periodischen Struktur interagiert. Es wurde bereits als schweres Photon bezeichnet. Schwere Photonen sollen in Speicherelementen, optischen Transistoren usw. eingesetzt werden.
Der zweite, in naher Zukunft bereits reale Anwendungsbereich photonischer Kristalle besteht darin, die Effizienz von Glühlampen um eine Größenordnung zu steigern. Zukünftig ist die Umstellung auf Computer, die ausschließlich auf Photonik basieren, geplant, die gegenüber Computern, die auf Elektronik basieren, eine Reihe von Vorteilen haben.
Im Jahr 2004 erschien eine Meldung über die Entwicklung eines Lasers auf Basis künstlichen invertierten Opals. Kolloidale Cadmiumselenidpartikel mit einem Durchmesser von 4,5 nm wurden in Hohlkugeln eingebracht, die sich in einem Abstand von 240–650 mm befanden. Mithilfe eines Laserpulses wurden diese „künstlichen Atome“ in einen angeregten Zustand überführt und die Emissionszeit konnte gesteuert werden. Beachten Sie, dass Laser mit verzögerter Emission beispielsweise für Solarzellen von Vorteil sind und solche mit beschleunigter Emission für Minilaser und LEDs von Vorteil sind.
Herkunft und Struktur von Edelsteinen
Mit wenigen Ausnahmen gehören alle Edelsteine zur Welt der Mineralien. Erinnern wir uns an ihren Ursprung und ihre Struktur. Über die Bedingungen für die Entstehung von Edelsteinen, die keine Mineralien im eigentlichen Sinne sind (z. B. Bernstein, Korallen und Perlen).
Mineralien können auf viele Arten vorkommen. Einige entstehen aus feurigen flüssigen Schmelzen und Gasen im Erdinneren oder aus vulkanischen Laven, die auf ihre Oberfläche ausbrechen (magmatische Mineralien). Andere fallen aus wässrigen Lösungen oder wachsen mit Hilfe von Organismen auf (oder in der Nähe) der Erdoberfläche (sedimentäre Mineralien). Schließlich entstehen neue Mineralien durch Rekristallisation bestehender Mineralien unter dem Einfluss hoher Drücke und hoher Temperaturen in den tiefen Schichten der Erdkruste (metamorphe Mineralien).
Die chemische Zusammensetzung von Mineralien wird durch die Formel ausgedrückt. Verunreinigungen werden nicht berücksichtigt, auch wenn sie das Auftreten von Farbnuancen bis hin zu einer völligen Farbveränderung des Minerals verursachen. Fast alle Mineralien kristallisieren in bestimmten Formen. Das heißt, es handelt sich um Kristalle mit homogener Körperzusammensetzung und einer regelmäßigen Anordnung der Atome im Gitter. Die Kristalle zeichnen sich durch strenge geometrische Formen aus und werden durch überwiegend glatte, flache Kanten begrenzt. Die meisten Kristalle sind klein, aber es gibt auch riesige Exemplare. Die innere Struktur von Kristallen bestimmt ihre physikalischen Eigenschaften, einschließlich äußerer Form, Härte und Spaltbarkeit, Bruchmuster, Dichte und optische Phänomene.
Grundlegendes Konzept
Edelstein oder Edelstein. Diese gesamte Steingruppe hat eines gemeinsam – ihre besondere Schönheit. Bisher wurden nur wenige Steine als Edelstein bezeichnet. Heutzutage ist ihre Zahl stark gestiegen und nimmt weiter zu. Die meisten davon sind Mineralien, viel seltener Gesteine. Zu den Edelsteinen gehören auch einige Mineralien organischen Ursprungs: Bernstein, Koralle und Perlen. Sogar versteinerte organische Überreste (Fossilien) werden als Dekoration verwendet. Eine Reihe anderer Schmuckmaterialien ähneln in ihrem Verwendungszweck Edelsteinen: Holz, Knochen, Glas und Metall.
Halbedelstein - Der Begriff ist im Handel immer noch gebräuchlich, sollte jedoch aufgrund der ihm innewohnenden abwertenden Bedeutung nicht verwendet werden. Früher wurden weniger wertvolle und nicht sehr harte Steine als Halbedelsteine bezeichnet, im Gegensatz zu „echten“ Edelsteinen.
Zierstein. Es handelt sich um einen Sammelbegriff, der sich auf alle Steine bezieht, die sowohl zur Dekoration als auch zur Herstellung von Steinschnitzereien verwendet werden. Manchmal werden weniger wertvolle oder undurchsichtige Steine als Ziersteine bezeichnet.
Juwel. Unter Schmuck versteht man einen Schmuck, der aus einem oder mehreren Edelsteinen besteht, die in ein Edelmetall eingefasst sind. Manchmal werden auch polierte Steine ohne Fassung sowie Schmuck aus Edelmetallen ohne Steine als Schmuck bezeichnet.
Edelsteine und Halbedelsteine
Edelsteine sind dem Menschen seit mehr als siebentausend Jahren bekannt. Die ersten davon waren: Amethyst, Bergkristall, Bernstein, Jade, Koralle, Lapislazuli, Perle, Serpentin, Smaragd und Türkis. Diese Steine blieben lange Zeit nur Vertretern der privilegierten Schichten zugänglich und dienten nicht nur als Dekoration, sondern symbolisierten auch den sozialen Status ihrer Besitzer.
Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts. Edelsteine wurden sogar für medizinische Zwecke verwendet. In manchen Fällen wurde es als ausreichend angesehen, einen bestimmten Stein zu haben, in anderen wurde er auf eine wunde Stelle aufgetragen, in anderen wurde er zu Pulver zerstoßen und oral eingenommen. Alte medizinische Bücher enthalten „genaue“ Informationen darüber, welcher Stein bei einer bestimmten Krankheit helfen kann. Die Behandlung mit Edelsteinen wird Lithotherapie genannt. Manchmal brachte es Erfolg, aber dieser sollte nicht auf den Stein selbst zurückgeführt werden, sondern auf eine psychologische Suggestion, die sich positiv auf den Patienten auswirkte. Behandlungsfehler wurden damit erklärt, dass es sich bei dem Stein um eine „Fälschung“ handelte. In Japan werden auch heute noch Tabletten aus pulverisierten Perlen (also Calciumcarbonat) für medizinische Zwecke verkauft.
Und in modernen Religionen nehmen Edelsteine einen besonderen Platz ein. So ist der Brustpanzer des jüdischen Hohepriesters mit vier Reihen Edelsteinen verziert. Ähnliche Steine funkeln auf den Tiaras und Mitra des Papstes und der Bischöfe der christlichen Kirche sowie auf Archen, Monstranzen, Krebsen und Ikonenrahmen.
Spaltung und Bruch
Viele Mineralien brechen oder spalten sich entlang glatter, flacher Oberflächen. Diese Eigenschaft von Mineralien nennt man Dekollete und hängt von der Struktur ihres Kristallgitters, von den Adhäsionskräften zwischen Atomen ab. Bei der Spaltung wird zwischen sehr perfekt (Euklas), perfekt (Topas) und unvollkommen (Granat) unterschieden. Eine Reihe von Edel- und Ziersteinen (z. B. Quarz) haben es überhaupt nicht. Separat ist die Fähigkeit eines Kristalls, sich entlang parallel ausgerichteter Flächen in bestimmte Bereiche aufzuspalten.
Beim Polieren und Schneiden von Steinen sowie beim Einsetzen in einen Rahmen muss das Vorhandensein von Spaltungen berücksichtigt werden. Bei starker mechanischer Beanspruchung kann es zu Spaltungen (Rissen) entlang der Spaltstelle kommen. Oftmals reicht ein leichter Schlag oder übermäßiger Druck aus, um die Härte zu bestimmen. Früher wurde die Spaltung eingesetzt, um große Steine vorsichtig in Stücke zu zerlegen oder defekte Stellen abzutrennen. Heutzutage werden solche Arbeiten hauptsächlich durch Sägen durchgeführt, wodurch die Form des Steins besser ausgenutzt und unerwünschte Risse und Spalten vermieden werden.
Als Form wird die Form der Oberfläche der Bruchstücke bezeichnet, in die das Mineral beim Aufprall zerfällt Knick. Es kann muschelförmig (ähnlich dem Abdruck einer Muschel), uneben, gesplittert, faserig, gestuft, glatt, erdig usw. sein. Manchmal kann ein Bruch als diagnostisches Zeichen dienen und es ermöglichen, zwischen Mineralien zu unterscheiden, die im Aussehen ähnlich sind. Der Muschelbruch ist beispielsweise typisch für alle Arten von Quarz- und Glasimitat-Edelsteinen.
Dichte
Dichte (früher spezifisches Gewicht genannt) ist das Verhältnis der Masse eines Stoffes zur Masse desselben Volumens Wasser. Daher ist ein Stein mit einer Dichte von 2,6 genauso oft schwerer als ein gleiches Volumen Wasser.
Die Dichte von Edelsteinen reicht von 1 bis 7. Steine mit einer Dichte unter 2 erscheinen uns leicht (Bernstein 1,1), von 2 bis 4 - normalgewichtig (Quarz 2,65) und über 5 - schwer (Kassiterit 7,0). Die teuersten Steine wie Diamant, Rubin und Saphir haben eine höhere Dichte als die wichtigsten gesteinsbildenden Mineralien, vor allem Quarz und Feldspat.
Maße der Masse von Edelsteinen
Karat – eine Masseneinheit, die seit der Antike im Handel mit Edelsteinen und Schmuck verwendet wird. Es ist möglich, dass das Wort „Karat“ selbst vom lokalen Namen (kuara) des afrikanischen Korallenbaums stammt, dessen Samen zum Wiegen von Goldstaub verwendet wurden, wahrscheinlicher ist jedoch, dass es vom griechischen Namen (keration) stammt. des im Mittelmeerraum weit verbreiteten Johannisbrotbaums, der Frucht, die ursprünglich als „Gewichte“ beim Wiegen von Edelsteinen diente (das Gewicht eines Gewichts entspricht im Durchschnitt etwa einem Karat).
Gramm – Masseneinheit, die im Edelsteinhandel für weniger als verwendet wird teure Steine, und insbesondere für unverarbeitete steinfarbene Rohstoffe (z. B. Quarzgruppe)
Großartig – ein Maß für die Masse einer Perle. Entspricht 0,05 g, also 0,25 ct. Heutzutage wird Granit zunehmend durch Karat ersetzt.
Preis. Im Edelsteinhandel wird der Preis üblicherweise pro Karat angegeben. Um die Gesamtkosten eines Steins zu berechnen, müssen Sie den Preis und sein Gewicht in Karat multiplizieren.
Optische Eigenschaften
Unter den physikalischen Eigenschaften von Edelsteinen spielen die optischen Eigenschaften eine dominierende Rolle; Bestimmung ihrer Farbe und ihres Glanzes, ihres Funkelns, ihres „Feuers“ und ihrer Lumineszenz, ihres Asterismus, ihres Schillerns und anderer Lichteffekte. Bei der Prüfung und Identifizierung von Edelsteinen gewinnen auch optische Phänomene zunehmend an Bedeutung.
Farbe
Farbe- das erste, was einem beim Betrachten eines Edelsteins ins Auge fällt. Bei den meisten Steinen kann ihre Farbe jedoch nicht als diagnostisches Zeichen dienen, da viele von ihnen die gleiche Farbe haben und einige in mehreren Farbvarianten auftreten.
Die Ursache für unterschiedliche Farben ist Licht, also elektromagnetische Schwingungen, die in einem bestimmten Wellenlängenbereich liegen. Das menschliche Auge nimmt nur Wellen im sogenannten optischen Bereich wahr – von etwa 400 bis 700 nm. Dieser Bereich des sichtbaren Lichts ist in sieben Hauptteile unterteilt, von denen jeder einer bestimmten Farbe des Spektrums entspricht: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Wenn alle Spektralfarben gemischt werden, erhält man die Farbe Weiß. Wird jedoch ein beliebiger Wellenlängenbereich absorbiert, entsteht aus der Mischung anderer Farben eine bestimmte Farbe – nicht mehr Weiß. Ein Stein, der alle Wellenlängen des optischen Bereichs durchlässt, erscheint farblos; Wird hingegen das gesamte Licht absorbiert, erhält der Stein die dunkelste sichtbare Farbe – Schwarz. Wenn Licht über den gesamten Wellenlängenbereich teilweise absorbiert wird, erscheint der Stein wolkig weiß oder grau. Werden hingegen nur ganz bestimmte Wellenlängen absorbiert, so erhält der Stein eine Farbe, die der Mischung der übrigen nicht absorbierten Anteile des weißen Lichtspektrums entspricht. Die Hauptfarbträger – Chromophore, die die Farbe von Edelsteinen bestimmen – sind Ionen Schwermetalle Eisen, Kobalt, Nickel, Mangan, Kupfer, Chrom, Vanadium und Titan.
Die Farbe von Edelsteinen hängt auch von der Beleuchtung ab, da die Spektren von künstlichem (elektrischem) und Tageslichtlicht (Sonnenlicht) unterschiedlich sind. Es gibt Steine, deren Farbe durch künstliches Licht beeinträchtigt wird (Saphir), und solche, deren Glanz nur durch abendliches (künstliches) Licht verstärkt wird (Rubin, Smaragd). Am deutlichsten ist der Farbwechsel jedoch bei Alexandrit: Tagsüber sieht es grün aus, abends sieht es rot aus.
Lichtbrechung
Schon in der Kindheit sahen wir oft, dass ein Stock in einem spitzen Winkel, der nicht vollständig ins Wasser eingetaucht war, an der Wasseroberfläche zu „brechen“ schien. Der untere Teil des Stocks, der sich im Wasser befindet, nimmt eine andere Neigung an als der obere Teil, der sich in der Luft befindet. Dies geschieht aufgrund der Lichtbrechung, die immer dann auftritt, wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes übergeht, also an der Grenze zweier Stoffe, wenn der Strahl schräg auf die Oberfläche ihrer Grenzfläche gerichtet ist.
Die Lichtbrechung aller Kristalle von Edelsteinen desselben Mineraltyps ist konstant (manchmal schwankt sie, aber innerhalb eines sehr engen Intervalls). Daher wird der numerische Ausdruck dieses Wertes – der Brechungsindex (oft einfach Brechung oder Lichtbrechung genannt) – zur Diagnose von Edelsteinen verwendet. Der Brechungsindex ist definiert als das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in Luft und in einem Kristall. Tatsache ist, dass die Ablenkung eines Lichtstrahls in einem Kristall genau durch eine Abnahme der Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses Strahls in einem optisch dichteren Medium verursacht wird.
In Diamant bewegt sich Licht 2,4-mal langsamer als in Luft. Ohne große technische Schwierigkeiten und Kosten ist es möglich, die Lichtbrechung mit der Immersionsmethode zu messen – indem man einen Stein in eine Flüssigkeit mit bekanntem Brechungsindex eintaucht und die Grenzflächen beobachtet. Anhand der Helligkeit und Schärfe der Konturen des Steins oder der Kanten zwischen den Facetten sowie der scheinbaren Breite der Grenzflächen können Sie den Brechungsindex eines Edelsteins ziemlich genau abschätzen.
Streuung
Beim Durchgang durch einen Kristall erfährt weißes Licht nicht nur eine Brechung, sondern zerfällt auch in Spektralfarben, da die Brechungsindizes kristalliner Stoffe von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängen. Als Phänomen bezeichnet man die Zerlegung von weißem Licht durch einen Kristall in alle Farben des Regenbogens Streuung. Die Bedeutung der Farbstreuung ist bei einem Diamanten besonders groß, der ihm sein prächtiges Farbspiel verdankt – dem berühmten „Feuer“, das den Hauptzauber dieses Steins ausmacht.
Die Dispersion eignet sich nur für farblose Steine. Natürliche und synthetische Steine mit hoher Streuung (z. B. Fabulit, Rutil, Sfarlerit, Titanit, Zirkon) werden in Schmuck als Diamantersatz verwendet.
Optische Oberflächeneffekte:
Lichtfiguren und Farbtöne
Viele Schmucksteine weisen helle Muster in Form orientierter Lichtstreifen sowie Oberflächenfarbtöne auf.
Katzenaugeneffekt kommt bei Steinen vor, bei denen es sich um Aggregate parallel verschmolzener faseriger oder nadelförmiger Individuen handelt oder die dünne, parallel ausgerichtete Hohlkanäle enthalten. Der Effekt entsteht durch die Lichtreflexion an solchen Parallelansätzen und besteht darin, dass beim Drehen des Steins ein schmaler Lichtstreifen darüber verläuft, der an die leuchtende schlitzartige Pupille einer Katze erinnert. Der größte Eindruck dieses Effekts wird erzielt, wenn der Stein in die Form eines Cabochons geschliffen wird, und zwar so, dass die flache Basis des Cabochons parallel zur Faserstruktur des Steins verläuft.
Asterismus - das Erscheinen von Lichtfiguren auf der Oberfläche des Steins in Form von Lichtstreifen, die sich an einem Punkt kreuzen und an Sternenstrahlen erinnern; Die Anzahl dieser Strahlen und der Winkel ihres Schnittpunkts werden durch die Symmetrie der Kristalle bestimmt. In seiner Natur ähnelt es dem Katzenaugeneffekt, mit dem einzigen Unterschied, dass die reflektierenden Einschlüsse – dünne Fasern, Nadeln oder Röhrchen – in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Ausrichtungen haben. Die sechszackigen Sterne auf den Rubin- und Saphir-Cabochons machen einen tollen Eindruck.
Adulariszenz – der bläulich-weiß schimmernde Glanz von Mondstein, einer kostbaren Adulariensorte. Wenn Sie einen Mondstein-Cabochon bewegen, gleitet dieses Leuchten oder Schimmern über seine Oberfläche.
Iridisierung – Regenbogenfarbenspiel einiger Schmucksteine, das Ergebnis der Zersetzung Weiß an kleinen Brüchen und Rissen im Stein in Spektralfarben gebrochen.
"Seide" - seidiger Glanz und Schimmer bei einigen Edelsteinen, der durch das Vorhandensein parallel ausgerichteter Einschlüsse feinfaseriger oder nadelartiger Mineralien oder hohler Röhrchen in ihnen verursacht wird. Es wird für facettierte Rubine und Saphire sehr geschätzt.
Kristallzüchtungsmethoden
Der erste im Labor gewonnene Einkristall war wahrscheinlich Rubin. Um Rubin zu erhalten, wurde eine Mischung aus wasserfreiem Aluminiumoxid, das eine mehr oder weniger große Beimischung von Ätzkalium, Bariumfluorid und Dichromokaliumsalz enthielt, erhitzt. Letzteres wird hinzugefügt, um den Rubin zu färben, und es wird eine kleine Menge Aluminiumoxid entnommen. Die Mischung wird in einen Tontiegel gegeben und in Flammöfen auf Temperaturen bis zu 1500 °C erhitzt (von 100 Stunden bis 8 Tage). Am Ende des Experiments erscheint im Tiegel eine kristalline Masse, und die Wände sind mit bedeckt wunderschöne rosa rubinrote Kristalle.
Die zweite gängige Methode zur Züchtung synthetischer Edelsteinkristalle ist die Czochralski-Methode. Es ist wie folgt: Die Schmelze der Substanz, aus der die Steine kristallisiert werden sollen, wird in einen feuerfesten Tiegel aus einem feuerfesten Metall (Platin, Rhodium, Iridium, Molybdän oder Wolfram) gegeben und in einem Hochfrequenzinduktor erhitzt . Über einen Absaugschacht wird ein Keim aus dem Material des künftigen Kristalls in die Schmelze abgesenkt und darauf synthetisches Material in der erforderlichen Dicke gezüchtet. Die Welle mit dem Saatgut wird mit einer Geschwindigkeit von 1-50 mm/h schrittweise nach oben gezogen, bei gleichzeitigem Wachstum mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 30-150 U/min. Drehen Sie die Welle, um die Temperatur der Schmelze auszugleichen und eine gleichmäßige Verteilung der Verunreinigungen sicherzustellen. Der Durchmesser der Kristalle beträgt bis zu 50 mm, die Länge bis zu 1 m. Synthetischer Korund, Spinell, Granate und andere Kunststeine werden nach der Czochralski-Methode gezüchtet.
Kristalle können auch wachsen, wenn Dampf kondensiert – so entstehen Schneeflockenmuster auf kaltem Glas. Wenn Metalle mithilfe aktiverer Metalle aus Salzlösungen verdrängt werden, bilden sich ebenfalls Kristalle. Tauchen Sie beispielsweise einen Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung; er wird mit einer roten Kupferschicht bedeckt. Doch die dabei entstehenden Kupferkristalle sind so klein, dass man sie nur unter dem Mikroskop erkennen kann. Kupfer wird sehr schnell an der Nageloberfläche freigesetzt, sodass seine Kristalle zu klein sind. Wenn der Prozess jedoch verlangsamt wird, werden die Kristalle groß. Bedecken Sie dazu das Kupfersulfat mit einer dicken Schicht Speisesalz, legen Sie einen Kreis Filterpapier darauf und darauf eine Eisenplatte mit etwas kleinerem Durchmesser. Es bleibt nur noch, eine gesättigte Kochsalzlösung in das Gefäß zu gießen. Das Kupfersulfat beginnt sich langsam in der Salzlösung aufzulösen. Kupferionen (in Form grüner komplexer Anionen) diffundieren über viele Tage hinweg sehr langsam nach oben; Der Vorgang kann durch die Bewegung des farbigen Randes beobachtet werden. Auf der Eisenplatte angekommen werden Kupferionen zu neutralen Atomen reduziert. Da dieser Prozess jedoch sehr langsam abläuft, ordnen sich die Kupferatome zu wunderschönen, glänzenden Kristallen aus metallischem Kupfer an. Manchmal bilden diese Kristalle Zweige – Dendriten.
Kristallzüchtungstechnologie
zu Hause
Um zu Hause Kristalle zu züchten, habe ich eine übersättigte Salzlösung vorbereitet. Als Ausgangsmaterial habe ich Kupfersulfatsalz gewählt. Ich habe heißes Wasser mit einer Temperatur von 50 °C in ein sauberes Glas gegossen und das Volumen auf 500 mg gebracht. Ich habe die Substanz in kleinen Portionen in das Glas gegossen, dabei jedes Mal umgerührt und eine vollständige Auflösung erreicht. Sobald die Lösung gesättigt war, deckte ich sie ab und ließ sie in einem Raum, in dem eine konstante Temperatur aufrechterhalten werden sollte. Wenn die Lösung auf Raumtemperatur abkühlt, kommt es zu einer übermäßigen Kristallisation. Es verbleibt genau so viel Substanz in der Lösung, wie der Löslichkeit bei einer bestimmten Temperatur entspricht, und der Überschuss fällt in Form kleiner Kristalle zu Boden. So kam ich an die Mutterlauge.
Als nächstes goss ich die Mutterlauge in eine andere Schüssel, platzierte die Kristalle vom Boden dort, erhitzte die Schüssel in einem Wasserbad, bis sie sich vollständig auflöste, und ließ sie abkühlen. Zu diesem Zeitpunkt sind Zugluft und plötzliche Temperaturschwankungen für die Lösung nicht erwünscht. Zwei Tage später untersuchte ich den Inhalt und bemerkte, dass sich am Boden und an den Wänden kleine flache Parallelogrammkristalle gebildet hatten. Aus ihnen habe ich die passendsten Kristalle ausgewählt.
Wieder habe ich eine gesättigte Lösung auf Basis der ursprünglichen Mutterlauge hergestellt, etwas mehr (0,5 Teelöffel) der Substanz hinzugefügt, erhitzt und gerührt. Die Lösung wurde in einen sauberen und beheizten Behälter gegossen und 20–30 Sekunden stehen gelassen, damit sich die Flüssigkeit etwas beruhigte. Als die Kristalle eine Größe von etwa 2,5 cm erreichten, gab ich sie einzeln in Flachbodenkolben mit einer vorfiltrierten und hydrolysegetesteten Mutterlauge. Ich habe die Kristalle nach Bedarf gewaschen und gereinigt.
Schlussfolgerungen
Alle physikalischen Eigenschaften, aufgrund derer Kristalle so weit verbreitet sind, hängen von ihrer Struktur – ihrem räumlichen Gitter – ab.
Neben Festkörperkristallen werden derzeit auch Flüssigkristalle verwendet, und in naher Zukunft werden Geräte auf Basis photonischer Kristalle zum Einsatz kommen
Zu den Kristallen zählen auch Schmucksteine, aus denen Schmuck hergestellt wird. Die Haltung des Menschen gegenüber Edelsteinen hat sich im Laufe der Jahrhunderte verändert: von der Vergöttlichung und Verwendung in der Medizin bis hin zur Demonstration des eigenen Reichtums oder der Bereitstellung ästhetischer Freude an der Schönheit und Harmonie eines Steins.
Zu Hause gezüchtete Kristalle können im Physikunterricht zum Studium ihrer physikalischen und physikalischen Eigenschaften verwendet werden chemische Eigenschaften sowie deren Anwendungen.
Künstliche Algen
Um künstliche Algen zu züchten, füllte ich einen Halbliterkolben mit einer fünfzigprozentigen Natriumsilikatlösung (flüssiges Glas). Dann warf sie mehrere Kristalle Eisenchlorid, Kupferchlorid, Nickelchlorid und Aluminiumchlorid in die Lösung. Nach einiger Zeit begann das Wachstum von „Algen“ mit bizarren Formen und unterschiedlichen Farben. In einer Lösung aus Eisensalzen sind die „Algen“ braun, Nickelsalze grün, Kupfersalze blau und Aluminiumsalze farblos.
Warum passiert das? In eine flüssige Glaslösung geworfene Kristalle reagieren mit Natriumsilikat. Die entstehenden Verbindungen bedecken die Kristalle mit einem dünnen Film, durch die Diffusion dringt jedoch Wasser ein, der Druck in den Kristallen steigt und der Film platzt.
Durch die Löcher dringt die Salzlösung in die umgebende Flüssigkeit ein und überzieht sich schnell wieder mit einem Film. Dann bricht der Film erneut durch. So wachsen verzweigte „Algen“.
Literatur:
- Wettbewerb
Bezirkswettbewerb pädagogisch-ForschungProjekte Kristalle ihre Anwendungen. Allerdings angemerkt...
Bildungs- und Forschungsprojekte für Schüler „Eureka“, Rubrik „Chemie“
WettbewerbBezirkswettbewerb pädagogisch-ForschungProjekte Schulkinder „Eureka“ Rubrik: „Chemie“ ... - das sind weiße kleine nadelförmige Kristalle oder leichtes kristallines Pulver. ... Kosten für ihre Produktion und vor allem - Reduzierung des Risikos Anwendungen. Allerdings angemerkt...
- Programm
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Forschungsprojekt von der Theorie zur Praxis Forschungsprojekt von der Theorie zur Praxis
Programm... pädagogisch-ForschungProjekte. In dieser Phase wird auch abstraktes Schreiben durchgeführt ForschungProjekte Und ihre Veröffentlichung. Lehrreich-ForschungProjekte... Es gibt Kristalle. Kristalle– ... und Chancen ihreAnwendungen im Dokumentenschutz...
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Abgeschlossen von: Mosheva Diana, ... Sepych 2012 Reisepass pädagogisch-ForschungProjekt: « Kristalle Und ihreAnwendung" Leiter: Schüler 10 „B“ ...
Künstliche Kristalle
Seit langem träumt der Mensch davon, Steine zu synthetisieren, die genauso wertvoll sind wie die, die in der Natur vorkommen. Bis ins 20. Jahrhundert blieben solche Versuche erfolglos. Doch 1902 gelang es, Rubine und Saphire zu gewinnen, die die Eigenschaften von Natursteinen besitzen. Mittlerweile werden jährlich Millionen Karat solcher Mineralien produziert!
Später, in den späten 1940er Jahren, wurden Smaragde synthetisiert, und 1955 berichteten General Electric und das Physikalische Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR über die Herstellung künstlicher Diamanten.
Viele technologische Anforderungen an Kristalle haben die Erforschung von Methoden zur Züchtung von Kristallen mit vorgegebenen chemischen, physikalischen und elektrischen Eigenschaften angeregt. Die Bemühungen der Forscher waren nicht umsonst und es wurden Methoden gefunden, um große Kristalle aus Hunderten von Substanzen zu züchten, von denen viele kein natürliches Analogon haben. Im Labor werden Kristalle unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen gezüchtet, um die gewünschten Eigenschaften sicherzustellen, und Laborkristalle entstehen auf die gleiche Weise wie in der Natur – aus einer Lösung, Schmelze oder Dampf.
Anwendung künstlicher Kristalle
Die Anwendungen von Kristallen in Wissenschaft und Technik sind so zahlreich und vielfältig, dass es schwierig ist, sie aufzuzählen. Daher beschränken wir uns auf einige Beispiele.
Das härteste und seltenste natürliche Mineral ist Diamant. Heutzutage ist ein Diamant in erster Linie ein Arbeitsstein und kein Dekorationsstein. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte spielt Diamant eine große Rolle in der Technologie. Diamantsägen werden zum Schneiden von Steinen verwendet. Eine Diamantsäge ist eine große (bis zu 2 Meter Durchmesser) rotierende Stahlscheibe, an deren Kanten Schnitte oder Kerben angebracht werden. In diese Schnitte wird feines Diamantpulver, vermischt mit etwas Haftsubstanz, eingerieben. Eine solche mit hoher Geschwindigkeit rotierende Scheibe sägt schnell jeden Stein. Beim Bohren von Gesteinen und im Bergbau ist Diamant von enormer Bedeutung. Diamantpulver wird zum Schleifen und Polieren von Hartgestein und gehärtetem Stahl verwendet. Der Diamant selbst kann nur mit Diamant geschliffen, poliert und graviert werden. Die kritischsten Triebwerksteile im Automobil- und Flugzeugbau werden mit Diamantfräsern und -bohrern bearbeitet.
Rubin und Saphir gehören zu den schönsten und teuersten Edelsteinen. Alle diese Steine haben andere Eigenschaften, bescheidener, aber nützlich.
Sie haben auch einen völlig unauffälligen Bruder: braunen, undurchsichtigen, feinen Korund – Schmirgel, der zum Reinigen von Metall verwendet wird, aus dem Schmirgelleinen hergestellt werden. Korund ist mit all seinen Varianten einer der härtesten Steine der Erde, der härteste nach Diamant. Korund kann zum Bohren, Schleifen, Polieren und Schärfen von Stein und Metall verwendet werden. Schleifscheiben und Schleifsteine sowie Schleifpulver werden aus Korund und Schmirgel hergestellt.
Die gesamte Uhrenindustrie basiert auf künstlichen Rubinen. Das neue Leben des Rubins ist der Laser, ein wunderbares Gerät unserer Tage. Im Jahr 1960 Der erste Rubinlaser wurde geschaffen. Es stellte sich heraus, dass der Rubinkristall das Licht verstärkt. Der Laser scheint heller als tausend Sonnen. Ein kraftvoller Strahl – enorme Kraft. Es brennt mühelos durch Bleche, schweißt Metalldrähte, brennt durch Metallrohre und bohrt feinste Löcher in Hartlegierungen und Diamant. Diese Funktionen werden von einem Feststofflaser unter Verwendung von Rubin und Granat ausgeführt. In der Augenchirurgie werden am häufigsten Rubinlaser eingesetzt.
Da Saphir transparent ist, werden daraus Platten für optische Instrumente hergestellt.
Feuerstein, Amethyst, Jaspis, Opal und Chalcedon sind allesamt Quarzarten. Kleine Quarzkörner bilden Sand. Und die schönste, wunderbarste Quarzsorte ist der Bergkristall, d.h. transparente Quarzkristalle. Daher werden Linsen, Prismen und andere Teile optischer Instrumente aus transparentem Quarz hergestellt. Besonders erstaunlich sind die elektrischen Eigenschaften von Quarz. Wenn man einen Quarzkristall staucht oder dehnt, entstehen an seinen Rändern elektrische Ladungen.
Kristalle werden auch häufig zur Wiedergabe, Aufzeichnung und Übertragung von Schall verwendet. Es gibt auch Kristallmethoden zur Messung des Blutdrucks in menschlichen Blutgefäßen und des Saftdrucks in Stängeln und Stämmen von Pflanzen. Die elektrooptische Industrie ist eine Kristallindustrie. Es ist sehr groß und vielfältig; in seinen Fabriken werden Hunderte Arten von Kristallen für den Einsatz in der Optik, Akustik, Radioelektronik und Lasertechnologie gezüchtet und verarbeitet.
Das polykristalline Material Polaroid hat auch in der Technik Verwendung gefunden. Polaroidfilme werden in Polaroidbrillen verwendet. Polaroids heben die Blendung des reflektierten Lichts auf und lassen alles andere Licht durch. Sie sind unverzichtbar für Polarforscher, die ständig die blendende Reflexion der Sonnenstrahlen auf einem eisigen Schneefeld betrachten müssen.
Polaroid-Brillen helfen dabei, Kollisionen mit entgegenkommenden Autos zu verhindern, die sehr häufig auftreten, weil die Lichter des entgegenkommenden Autos den Fahrer blenden und er dieses Auto nicht sieht. Wenn die Windschutzscheiben von Autos und das Glas von Autoscheinwerfern aus Polaroid bestehen, lässt die Windschutzscheibe das Licht der Scheinwerfer eines entgegenkommenden Autos nicht durch und „löscht es aus“.