способ выращивания кристаллов в домашних условиях

Формула изобретения

1. Способ выращивания кристаллов путем растворения исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора, его нагрева и последующего охлаждения, отличающийся тем, что после нагрева раствора осуществляют дополнительное растворение исходного вещества до получения ненасыщенного раствора, вводят кристаллоносец с затравкой на участке от высшей температуры нагрева раствора до точки равновесного состояния, после чего продолжают охлаждение до комнатной температуры с переходом раствора через точку равновесного состояния до получения пересыщенного раствора, и указанный цикл повторяют до образования кристаллов заданных размеров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что затравку к кристаллоносцу крепят через промежуточное звено, выполненное в виде петли.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что петлю вращивают в затравочный кристалл, предварительно закрепив ее на затравочном кристалле.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что кристалл разращивают в подвешенном к кристаллоносцу состоянии до достижении им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что пластинку изготавливают из пластмассы.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве исходных растворов используют водные растворы неорганических соединений: медного купороса CuSO₄ 5H₂O, никелевого купороса NiSO₄ 7H₂O, магния сернокислого MgSO₄ 7H₂O, калия двухромовокислого K₂Cr₂O₇, красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆], желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆] 3H₂O, марганца двухлористого MnCl₂ 4H₂O, меди двухлористой CuCl₂ 2H₂O и др.

7. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что при дополнительном растворении исходного вещества в виде воднорастворимых неорганических соединений, например CuSO₄ 5H₂O, нагрев раствора осуществляют до 45^o, а введение кристаллоносца с затравкой - при температуре (T_к +8^o), где T_к - комнатная температура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области кристаллографии и может быть использовано для выращивания монокристаллов и сростков кристаллов в домашних условиях для декоративных целей.

Известен способ получения кристаллов воднорастворимых соединений [1], включающий растворение исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора, его нагрев с последующим охлаждением, при этом в воду вводят следующие примеси неорганических соединений: CoSO₄, MgSO₄, FeF₃, CuSO₄, ZnSO₄, KAl(SO₄)₂, KSO₃, KCrO₄, K₃Fe(CN)₆, KClO₄, KCr(SO₄)₂.

Известный способ предлагает получать монокристаллы из перечисленных солей, однако он не позволяет получить монокристаллы крупных размеров, высокой чистоты, декоративных форм, так как отсутствует технологический режим, позволяющий получить крупные монокристаллы и сростки кристаллов высоких декоративных форм. Причем на форму и качество выращиваемых монокристаллов в значительной степени оказывают влияние метод и скорость охлаждения растворов в системе раствор-стекло-вода, что при неправильном охлаждении приводит к массовому выпадению вещества на стенках кристаллизатора. Кроме того, как правило, концентрация растворенного вещества в растворе в разных его точках одинакова. Но если создать разность температур в растворе, то в нем возникает градиент химического потенциала, что способствует возникновению диффузии и перераспределению концентраций и, отсюда, направленному росту кристаллов.

Известно, что до сих пор введение кристаллоносца с затравкой осуществляли сразу в пересыщенный раствор. Пересыщение поддерживали путем постоянного снижения температуры. Такая технология получения кристаллов, как правило, обеспечивала достаточную скорость роста кристалла, что приводило к образованию микротрещин и неоднородности строения и состава кристалла между различными его зонами.

Начинался процесс кристаллизации, как правило, с 50 - 70^oC. Особую опасность при таких температурах представляет открывание кристаллизатора при манипуляциях с затравками, кроме того, с повышением температуры уменьшается ширина метастабильной зоны реактора. В известных технологиях, как правило, кристаллоносец помещают в пересыщенный раствор при температуре 55 - 56^oC. При таких температурах при недосыщенном растворе затравка в нем быстро растворяется. Поэтому для получения удовлетворительных кристаллов требуется переохлаждение, составляющее десятые доли градуса. Повышение степени пересыщения раствора ведет к порче кристалла и запаразичиванию кристаллизатора. Все это не позволяет уверенно получать по известным технологиям высококачественные кристаллы.

В предлагаемом изобретении решается задача создать крупный чистый монокристалл или сросток кристаллов декоративной формы.

Поставленная задача решается тем, что в способе выращивания кристаллов, включающем растворение исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора и его нагрев с последующим охлаждением, дополнительно растворяют столько вещества, чтобы раствор остался ненасыщенным, и начинают охлаждение раствора, вводят кристаллоносец с затравкой на участке от внешней температуры нагрева раствора до точки равновесного состояния, причем затравку к кристаллоносцу крепят через промежуточное звено, выполненное в виде петли, после чего продолжают охлаждение до комнатной температуры с переходом раствора через точку равновесного состояния до получения пересыщенного раствора, причем раствор выдерживают при комнатной температуре порядка 3-х суток, нагрев раствора производят до 45^oС, кристаллоносец с затравкой вводят в раствор при температуре T = (T_к + 8^o), где T_к - комнатная температура, а после выдержки раствора при комнатной температуре в течение указанного времени кристаллоносец с кристаллом вынимают из раствора, раствор вновь нагревают до указанной температуры, дополнительно растворяют исходное вещество, принудительно понижают температуру раствора до T = (T_к + 8^o), вводят кристаллоносец с кристаллом и продолжают естественное охлаждение раствора до комнатной температуры, после чего выдерживают раствор при этой температуре трое суток, после чего вынимают кристаллоносец с кристаллом из раствора и повторяют указанный цикл 20 - 25 раз. При этом, если затравочный кристалл выбирают из кристаллов, образующихся на дне кристаллизатора, то в выбранный затравочный кристалл вращивают петлю, предварительно закрепив ее на затравочном кристалле с помощью пластилина, а для создания подставки из сростка кристаллов под вертикально стоящим монокристаллом, монокристалл разращивают в кристаллизаторе в подвешенном состоянии до достижения им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку из пластмассы с помощью пластилина и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров. В качестве исходных растворов используют водные растворы минеральных солей: медного купороса CuSO₄ 5H₂O, никелевого купороса NiSO₄ 7H₂O, магния сернокислого MgSO₄ 7H₂O, калия двухромовокислого K₂Cr₂O₇, красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆], желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆] 3H₂O, марганца двухлористого MnCl₂ 4H₂O, меди двухлористой CuCl₂ 2H₂O и др.

Предложенный способ выращивания кристаллов в домашних условиях рассмотрим на примере выращивания кристаллов медного купороса CuSO₄ 5H₂O с чистотой 98,5%. Использование реактива меньшей чистоты приводит к образованию хлопьев в растворе.

Сначала выращивают затравку. Затравку выращивают в пересыщенном растворе. Для получения такого раствора 200 г реактива растворяют в 800 мл теплой кипяченой воды. Если полного растворения не происходит, то необходимо нагреть раствор в водяной бане до 50^oС и растворить реактив без остатка. Выращивание затравки производят на грузике, в качестве которого используют бусинку из стекла или кварца. Для этого в полученный теплый раствор опускают леску, выступающую в качестве кристаллоносца, на одном конце которой выполнена петля и прикреплен грузик. Сначала грузик в раствор опускают на 10 - 12 сек, после чего грузик вынимают и высушивают. Раствор, захваченный грузиком, при испарении воды кристаллизуется с образованием на грузике множества мелких кристалликов. Через одни сутки в остывший раствор вновь погружают леску с привязанным к ней грузиком и выдерживают в растворе в течение двух суток при постоянной комнатной температуре. По истечении указанного времени раствор перейдет из пересыщенного в насыщенное состояние, а избыток вещества кристаллизуется на леске с грузиком и на дне кристаллизатора как в виде сростков кристаллов, так и в виде монокристаллов. Дальнейшее выращивание может идти двумя путями: разращивание сростка кристаллов, образовавшегося на леске с грузиком, разращивание кристаллов, образовавшихся на дне кристаллизатора. Для дальнейшего разращивания кристалла, образовавшегося на дне кристаллизатора, необходимо предварительно врастить в него петельку из лески. Петельку крепят к кристаллу пластилином, раствор переводят в пересыщенное состояние, добавив реактива, и выдерживают его в течение трех суток. Через два таких цикла пересыщения раствора леска, как правило, "врастает" в выбранный для дальнейшего выращивания кристалл. На этом процесс выращивания затравки заканчивается, ее вынимают из раствора и переходят непосредственно к процессу выращивания крупных кристаллов.

Процесс выращивания крупных кристаллов поясним на примере фиг. 1. Процесс носит циклический характер, и наиболее характерные точки цикла обозначены на фиг. 1 буквами A, B, C, D, E. Используем насыщенный раствор комнатной температуры (на фиг. 1 - T₁ = T_комн.), оставшийся после выращивания затравки (точка A на фиг. 1). Нагреваем раствор в водяной бане до 45^oС (точка B, T₃ = 45^o). При нагреве раствор переходит из насыщенного в ненасыщенное состояние (AB). Добавлением 1,5 чайных ложки реактива, что соответствует примерно 22 г медного купороса (BC). Необходимо отметить, что раствор продолжает оставаться ненасыщенным (точка C на фиг. 1). Добиваемся полного растворения вновь введенного реактива и начинаем принудительное охлаждение раствора до температуры T₂ = T_комн. + 8^o (точка D). При достижении раствором температуры на 8^oС выше комнатной температуры, вводим в раствор кристаллоносец с предварительно выращенной затравкой (процесс выращивания затравки описан выше). Следует отметить, что раствор до сих пор остается ненасыщенным. Далее проводим естественное охлаждение ненасыщенного раствора до его насыщения (точка пересечения отрезка DE с кривой растворимости при температуре равновесного состояния T₄), при этом идет частичное растворение затравки, что способствует получению более качественного кристалла. Продолжительность охлаждения составляет несколько часов. Продолжаем естественное охлаждение раствора, теперь уже пересыщенного, до комнатной температуры (T₁ = T_комн., фиг. 1). При этом идет кристаллизация, скорость которой увеличивается и становится максимальной при достижении раствором комнатной температуры (точка E). Суммарная продолжительность этапа естественного охлаждения раствора от момента ввода кристаллоносца с затравкой (отрезок DE) составляет примерно 6 часов. Далее проводим кристаллизацию в стационарных температурных условиях при постоянной комнатной температуре. Продолжительность этого этапа составляет трое суток. При этом интенсивность процесса кристаллизации постоянно уменьшается по мере уменьшения степени пересыщенности раствора и процесс кристаллизации прекращается в точке A, когда раствор становится насыщенным. После достижения раствором состояния насыщения кристаллоносец с кристаллом вынимают из раствора и вновь повторяют весь описанный цикл ABCDEA. Каждый цикл можно назвать приемом пересыщения. Для выращивания кристалла размером около 10 - 15 см необходимо провести порядка 20 приемов пересыщения.

Для создания подставки из сростка кристаллов под вертикально стоящим монокристаллом монокристалл разращивают в кристаллизаторе в подвешенном состоянии до достижения им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку из пластмассы с помощью пластилина и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров. Образующиеся на пластинке мелкие кристаллики закроют пластинку и образуют надежное основание крупного кристалла.

Аналогичным путем выращивают кристаллы из водных растворов и других неорганических соединений. Технология выращивания кристаллов сохраняется.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания кристаллов в домашних условиях позволяет создавать прочные, крупные и обладающие высокими декоративными свойствами кристаллы. Примеры выращенных автором по предлагаемой методике кристаллов медного купороса и красной кровной соли приведены на фиг. 2 и 3, на которых видны их качество и высокая декоративность.

Доказательством возможности получения уникальных по своим внешним параметрам кристаллов, используя предлагаемый способ, является то, что кристаллы, выращенные автором, в настоящий момент украшают экспозиции ряда крупнейших минералогических музеев Москвы: Музея землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова, минералогического музея Московской геологоразведочной академии, музея минералогии АН России.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР N 1670000 от 09.01.1989 г., Мкл C 30 B 7/00. Г. В. Руссо и др. "Способ получения кристаллов воднорастворимых соединений".