Инкубатор для сапфиров
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Прошли те времена, когда уделом драгоценных камней было лишь украшение эфесов шпаг, диадем и ожерелий. В последнее десятилетие к драгоценным кристаллам большой интерес проявляют самые разные области науки — квантовая электроника, микроэлектроника, вычислительная техника, оптика и акустика. Ну а то, что первые лазеры были созданы на монокристаллах рубина, известно всем. Причем наука оказывается гораздо более требовательной к качеству драгоценных камней, чем самые привередливые знатоки драгоценностей.
Естественные камни уже не могут удовлетворить ученых, которые разрабатывают все новые и новые методы выращивания искусственных кристаллов. Надо отметить, что все эти кристаллы очень тугоплавкие и в этом трудность их выращивания. Вот как растет кристалл поваренной соли: сначала создается перенасыщенный раствор соли, в который помещается зародыш — центр кристаллизации, на нем и вырастает кристалл. А для роста, скажем, сапфира или граната надо разогревать расплав до температуры выше двух тысяч градусов.
Причем разогрев должен быть очень равномерным. Чтобы научиться выращивать хорошие кристаллы, ученые создали специальную установку для исследования самого процесса роста. Высокотемпературный микроскоп с лазерным нагревом и киносъемкой — вот как непросто звучит само название этой установки. С ее помощью удалось установить, что в монокристалле бывают дефекты не только из-за посторонних примесей, но и из-за дефектов в самом веществе кристалла. Например, многие монокристаллы включают в свой состав окись алюминия, а при плавлении окиси происходит диссоциация их вещества на ионы.
В расплаве возникает избыточное количество ионов алюминия, и они могут играть такую же роль, как и посторонние примеси. Установлено также, что особое внимание надо уделять источнику нагрева. Здесь на помощь ученым приходят лазеры. Длину волны их подбирают таким образом, чтобы свет полностью поглощался в расплаве и беспрепятственно проходил сквозь образовавшийся кристалл. Это очень важно потому, что расплав все время поддерживается в жидком состоянии, а кристалл начинает равномерно охлаждаться.
Уже созданы установки для вертикальной и горизонтальной кристаллизации. Теперь ученые научились выращивать крупные лейкосапфиры. Область применения сапфира постоянно расширяется. Они используются в биологии, медицине, механике. Их также можно использовать для протезирования (корни зубов, детали глаза, искусственные суставы, костная ткань), изготовления хирургических скальпелей, покровных стекол и т. д. А самые крупные — до двадцати килограммов — сапфиры предназначены для детекторов гравитационных волн.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.