Як вирощують кварц?
У звичайних умовах з розчинів добре ростуть ті речовини, у яких досить велика розчинність. А як бути з речовинами, які не хочуть розчинятися, наприклад, з кварцем? То як же тоді вирощують кварц?
Кварц - це, мабуть, найпоширеніший на Землі мінерал. Кремінь, аметист, яшма, опал, халцедон - все це різновиди кварцу. Дрібні зернятка кварцу утворюють пісок. А найкрасивіший, найчудовіший різновид кварцу - це гірський кришталь, тобто прозорі кристали кварцу. У гірського кришталю є низка чудових фізичних властивостей. Насамперед він прозорий – прозорий не лише для видимого світла, але й для невидимого ультрафіолетового. Тому із прозорого кварцу роблять лінзи, призми та інші деталі оптичних приладів. Особливо дивовижні електричні властивості кварцу. Якщо стискати чи розтягувати кристал кварцу, на його гранях виникають електричні заряди. Це – п'єзоелектричний ефект у кристалах. Існує і зворотний п'єзоелектричний ефект: якщо помістити п'єзоелектричний кристал в електричне поле, кристал стискатиметься або розтягуватиметься (залежно від напрямку поля).
Багато кварцу на Землі, дуже багато, і все ж таки природний кварц не може забезпечити потреби техніки. Для оптичних, електричних, акустичних приладів потрібні високодосконалі ідеально однорідні кристали кварцу, а такі в природі надзвичайно рідкісні. У земній корі природа вирощує чудові кристали кварцу із гарячих мінеральних розчинів. Чи не можна і в лабораторії спробувати виростити кварц із розчину? Однак, у звичайних умовах кварц не розчиняється ні у воді, ні у сильних розчинниках, навіть у кислотах. З розчинів можна кристалізувати ті речовини, які мають досить велика розчинність.
Щоб збільшити розчинність, можна підібрати найкращий розчинник або підвищити температуру. У більшості речовин розчинність зростає у разі підвищення температури. У водних розчинів при звичайних тисках не можна підняти температуру вище 1000С – вода закипить і випарується. Однак запобігти кипінню та випаровуванню можна, якщо підвищити тиск. Так приходимо до методу кристалізації з розчинів при підвищених температурах і тисках – до гідротермального синтезу кристалів.
Гідротермальним методом вирощують тепер кристали кварцу практично будь-яких розмірів, ідеально чисті та однорідні, незрівнянно чистіші, однорідніші та досконаліші, ніж природний кварц.
У цьому методі вирощування кварцу кристалізаторами служать величезні циліндричні посудини зі сталі або спеціальних жароміцних сплавів, які можуть витримати і сильне нагрівання, і високі тиски, і розчинники, які все роз'їдають. Кристалізація ведеться в герметично закритих посудинах - автоклавах висотою до 5-6 метрів і діаметром до 2-3 метрів.
Автоклав заповнюють лужним розчинником, наприклад, водним розчином каустичної соди. На дні автоклаву знаходиться вихідна сировина для кристалізації. Сировиною тут служить природний мікрокристалічний кварц, не придатний для будь-яких виробів. У верхній частині автоклава підвішують на сталевих рамах затравки - тонкі пластинки, випиляні з хорошого кристалу кварцу, природно або штучно вирощеного. Автоклав герметично закривають спеціальними затворами та нагрівають, причому між дном, де лежить сировина, і верхньою частиною, де висять затравки, створюють перепад температур: на дні температура більша, ніж нагорі. Від нагрівання розчин розширюється, рівень його піднімається, тиск у герметично закритій посудині зростає. При температурах 300–3500C та тисках до 2 тисяч атмосфер подрібнений кварц на дні посудини розчиняється у гарячому лужному розчиннику та потоки розчину піднімаються догори; остигаючи у верхніх, менш нагрітих ділянках автоклава, потоки підходять до затравки вже пересиченими - і на затравках починають рости кристали.
Пластинка вільно підвішена в розчині, ні сусідні кристали, ні стінки автоклава їй не заважають, і на затравці виростає чудово огранений кристал кварцу. Росте він зі швидкістю близько десятих часток міліметра на добу. Весь цикл вирощування таких кристалів триває місяцями до півроку!
А головне, у чому людина перевершила природу, – це у досконало вирощених нею кристалах. За однорідністю, прозорістю, досконалістю структури вони набагато кращі за природні.
В останні роки гідротермальним методом вирощують кристали багатьох речовин. Для потреб техніки так вирощують не тільки кварц, а й сапфір, слюду, гранати, смарагд, топаз і багато інших кристалів, які не існували раніше в природі.
