Наукова робота. Таємниці «каменя царів»

Роботу виконала:
Пушкіна Катерина Олександрівна
учениця 8-А класу
Запорізької гімназії №11

Науковий керівник:
Іванісова Валентина Михайлівна
вчителька хімії
Запорізької гімназії №11
учасниця IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „ХІМІЯ”

Вступ

«…Але я повинен сказати про кристали, форми, барви. Є величезні кристали, як колонада храму, ніжні, як цвіль, гострі, як шипи; чисті, блакитні, зелені, як ніщо інше в світі, вогненні, чорні; математично точні, досконалі…»
Карел Чапек

Кристали оточують людину всюди. З них виготовляють ліки, створюють прилади та вироби. Ми їмо кристали та застосовуємо їх в промисловості. В землі люди знаходять камені у вигляді багатогранників з прямими ребрами і плоскими гранями. Досконалість форми вражає. Саме каміння з природного правильної симетричної, багатогранної формою називають кристалами. Знаходять в землі різноманітні мінерали. Одним із цінніших кристалів є алмаз, який представляє собою одну з кристалічних модифікацій вуглецю. Його назва походить від грецького слова (адамас), що в перекладі означає «нездоланний» і відображає виняткову механічну стійкість цього мінералу. Форми кристалізації алмазу різноманітні: поряд з монокристалами знаходяться полікристалічні види, що мають різну будову.

Алмаз завжди вважали царем самоцвітів, його називали «каменем царів». Цей кристал цінувався вище всяких скарбів. І сьогодні він продовжує підкорювати людей своєю красою і унікальними властивостями. Людство навчилося використовувати його не тільки для виготовлення ювелірних прикрас, але і в промисловості. Це відкрило практично необмежені можливості в дослідженні його характеристик і застосування сучасних пристроях і механізмах.

Мета роботи: Розглянути хімічний склад алмазу, вплив домішок на його властивості. Перспективи вивчення алмазів та його характеристик для використання у передових технологіях. Застосування легуючих елементів для отримання заданих властивостей. Розглянути властивості кристалів на прикладі самостійно вирощених екземплярів.

1. Дивовижний світ алмазів

Важко повірити, але алмаз і графіт складаються з атомів Карбону. Це  один з найбільш поширених елементів на Землі. Графіт м’який, непрозорий, чорний. А алмаз твердий і прозорий камінь, який вражає своїм блиском. Алмаз і графіт є поліморфними модифікаціями Карбону, так як мають однаковий склад, але різну кристалічну структуру. Графіт є вогнетривким матеріалом, а алмаз горить в полум’ї кисню. Саме структура визначає форму і властивості цих речовин.

Кристалічна решітка алмаза – куб. Кожен атом Карбону оточений чотирма такими ж атомами. Вони утворюють правильну чотиригранну піраміду (рис. 1а). Міцні хімічні зв’язки між атомами забезпечують високу твердість цього кристала. Графіт відрізняється шаруватою структурою. Більш міцні зв’язки присутні між атомами всередині шару, де вони утворять гексагональну сітку (рис. 1b). Зв’язок між шарами слабкий, тому вони здатні ковзати один щодо одного.

Рис. 1 – моделі кристалічних структур а – алмазу, b – графіту

Кристали виростають у вигляді багатогранників, так як швидкості росту в різних напрямах різні. Це впливає на фізичні властивості матеріалу. Анізотропія – це відмінність властивостей у різних напрямках. В цьому полягає основна особливість кристалічних речовин. Однорідні кристали, анізотропні, симетричні. Причиною цього є їх атомна структура. Однакові групи атомів повторюються в кристалі.

Алмаз – тверда речовина. У той же час межа міцності на згин у цього матеріалу невисока, тому він досить крихкий. При сильному ударі алмаз може розколотися. Особливе значення має низький коефіцієнт тертя каменя по металу на повітрі. Це пояснюється утворенням на його поверхні плівок адсорбованого газу, що грає роль мастила. Тому алмаз володіє винятковою зносостійкістю.

Температура плавлення цього матеріалу становить 3700-4000 °С. Він згорає на повітрі при температурах 850-1000 °С, а в струмені чистого кисню –720-800 °с. Якщо нагрівати алмаз при температурі 2000-3000 °С без доступу повітря, то він переходить в графіт. Матеріал також володіє високою теплопровідністю.

Показником заломлення є число, що характеризує заломлюючу здатність якогось прозорого середовища. Дисперсією називають здатність кристала розкладати білий колір на складові. Ці показники значно перевищують аналогічні характеристики інших прозорих речовин. Заломлення і сильна дисперсія викликають характерний блиск відполірованого алмазу. Важливою властивістю цього кристала є люмінесценція – здатність світитися різними кольорами. Алмаз відноситься до ізоляторів, але існують екземпляри, що володіють напівпровідниковими властивостями. Він відноситься до немагнітних матеріалів, але є види, зі слабкими парамагнітними властивостями.

Алмаз є стійким мінералом, який не піддається дії сильних кислот і їх сумішей. Він не реагує з лугами. Кристал з чистою поверхнею гідрофобний, тобто не змочується водою. Саме властивості алмазу зробили його унікальним кристалом.

1.1. Кольори кристалів

Безбарвні алмази зустрічаються досить рідко, вони найчастіше забарвлені в якийсь відтінок. У природі зустрічаються інтенсивно забарвлені алмази блакитного, жовтого, зеленого, оранжевого, синього, коричневого, білого, сірого і чорного кольорів. Вони використовуються для виготовлення ювелірних прикрас. Діамант (від франц. brillant – блискучий) – алмаз, якого надали певну форму, що розкриває оптичні властивості каменю (рис. 2).

Колір кристала пов’язаний з наявністю дефектів у структурі, з включеннями різних хімічних елементів. Найпоширенішим є жовте забарвлення. Лимонно-жовтий, солом’яно-жовтий колір можна побачити у кристалів октаедричної і додекаедричної форми. Вона зумовлена наявністю дефектно-домішкового центру N₃ (донорно-акцепторна пара [N -Al] або три атоми Нітрогену та вакансія). Жовте, янтарно-жовте забарвлення пов’язана з одиночними атомами Нітрогену в структурі алмазу.

Зеленуватий або блакитний відтінок алмази набувають у результаті природного радіоактивного випромінювання. При нагріванні в процесі метаморфізму вони стають жовтими.

Рис. 2 – діамант

Сині і блакитні кристали набувають такий колір в присутності Бору. Дуже поширені темно-коричневі і рідше рожево-бузкові алмази, забарвлення яких пов’язане з дефектами на площинах ковзання. Молочно-біле забарвлення пояснюється наявністю дрібнодисперсних включень граната у зовнішній частині кристала, а сіра і чорна – включеннями графіту.

Люди навчилися фарбувати мінерал в потрібний колір в лабораторних умовах. Вивчення природи і особливості забарвлення алмазу має велике значення для розуміння причин виникнення неповторних тонів. Точні дані дозволяють створювати нові технології синтезу високоякісних екземплярів, способів розпізнавання синтетичних варіантів і підробок, а також виготовляти нові види кристалів з властивостями, нехарактерними для природних аналогів.

1.2. Хімічні елементи-домішки

Фахівці займаються дослідженням домішок алмазів. Отримані дані дозволяють глибше зрозуміти природу «каменю царів», використовувати цю інформацію для одержання штучних зразків із заданими властивостями. На підставі вивчення літературних даних розглянемо вплив різних хімічних елементів на властивості алмазу.

Гідроген. При спалюванні кристалів було встановлено, що в них знаходиться незначна кількість Гідрогену. В університеті Мельбурна розробили метод визначення домішок Гідрогену в алмазах. З його допомогою можна визначити розташування елемента і його кількість в кристалі. Домішки Гідрогену здатні впливати на електронні та оптичні властивості каменю, тому їх намагаються позбутися. Але точно вплив Гідрогену на різні властивості ще не вивчили. Існує версія, що він може виявитися корисною домішкою. Діаманти набувають фіолетовий колір за рахунок попадання Гідрогену в кристалічну решітку каменю в процесі утворення алмазу.

Бор є в алмазах природного походження, надає їм блакитне забарвлення. Кожен екземпляр має свій унікальний набір властивостей внаслідок різної структури, що ускладнює використання таких каменів у промисловості. За допомогою сучасних методів вирощування алмазів вдається отримати синтетичні кристали з заданими параметрами.

Нітроген є основною структурною домішкою в природних алмазах. Вперше вдалося виявити цей елемент Кайзеру і Бонду з допомогою газової хроматографії. За допомогою радіоактивного методу вчені встановили точну кількість домішки. Проведені експерименти довели, що вміст Нітрогену коливається в значних межах. Використання спектроскопічних методів дозволило виявити азотовмісні дефекти в структурі, оцінити їх концентрацію. Від них залежить твердість, міцність, теплопровідність, електропровідність кристала.

Натрій був вперше виявлений Числеєм за допомогою емісійного аналізу. Максимальна концентрація домішки встановлена в поверхневій зоні кристалів. Магній є елементом, який постійно знаходять у структурі алмазів, також часто фіксують Алюміній в кристалі. Якщо його багато, то спостерігається підвищений вміст Силіцію. Алюміній надає каменю блакитне забарвлення. Фосфор забезпечує створення провідності n-типу в алмазі. Тому дослідники приділяють багато уваги вивченню цієї домішки в структурі кристала.

За даними різних аналітичних методів у складі включень була виявлена практично вся таблиця Менделєєва. Кожен елемент надає певний вплив на структуру і властивості кристалу.

1.3. Походження алмазів

Перші знахідки алмазів датуються 3 тисячоліттям до н. е. У Європі ці дорогоцінні камені з’явилися в XIII столітті. Люди придумали безліч легенд про утворення цього каменю. Як з’явилися ці камені на нашій планеті, не вдалося точно з’ясувати і до наших днів, але існує кілька гіпотез.

Мантійно-магматична гіпотеза стверджує, що для отримання алмазів необхідно багато часу, однорідне середовище, високий тиск і низькі температурні градієнти. Існує флюїдна гіпотеза. Згідно їй кристалізація каменів відбувається на порівняно невеликій глибині при розпаді метану або його окисленні. Для цього процесу потрібна температура вище 1000 °С і тиск 100-500 Па. Метеоритна гіпотеза припускає, що утворення алмазів сталося з Карбону при зіткненні метеоритів.

Наша планета зберігає безліч таємниць. Однією з них є походження алмазу. Люди вже навчилися вирощувати синтетичні кристали, можливо, незабаром вдасться розгадати і загадку появи цих дивовижних каменів на Землі.

1.4. Синтез кристалів

Отримання алмазів в сучасному світі відбувається стрімкими темпами. Перші спроби отримати штучний кристал робилися ще у XVIII столітті, але вони не увінчалися успіхом. На той момент не існувало технологій, що дозволяли б створити потрібну температуру і тиск. Перші зразки каменів вдалося отримати тільки в 1954 році компанії General Electric. Сьогодні існують кілька методів синтезу алмазів:

1. Компанія General Electric розробила метод близький до природних умов. Його назвали HPHT (High Pressure High Temperature— високий тиск, висока температура). Процес ведеться при температурі близько 1500 °С із зовнішнім градієнтом і тиском 50-70 тис. атм. Гідравлічний прес обжимає контейнер, де знаходиться графіт, розплав заліза, нікелю, кобальту. На підкладці є затравка кристалів алмазу. Розплав розігрівають за допомогою електричного струму. Метал виступає в якості розчинника і каталізатора. Процес триває протягом 12 діб.
2. Метод CVD означає «осадження з пари». За допомогою такої технології отримують промислові алмази. Кристали ростуть на підкладці, на якій розміщується алмазна затравка. Вони поміщаються в камеру, де створюється вакуум, простір потім заповнюють воднем і метаном. Розігрів газів здійснюється за допомогою НВЧ-променів до 3000 °С, в результаті Карбон з метану осідає на основу, яка залишається холодною. Метод дозволяє одержувати чисті кристали. Але його необхідно удосконалити, так як розміри отриманих каменів обмежені.
3. Спосіб вибухового синтезу дозволяє отримати камінь завдяки детонації вибухових речовин і наступного охолодження.

Застосування у виробництві алмазів каталізаторів дозволяє знизити температуру і тиск. Цей напрямок досліджень є перспективним, так як дозволить зменшити витрати на виготовлення каменів.

Компанія De Beers, яка є алмазним монополістом, була сильно стурбована тим, що в продаж потраплять штучні алмази. Але з часом виявилося, що синтетичні камені займають невелику частку ювелірного ринку. З’явилися нові методи, що дозволяють визначити штучні кристали. Ознаками отримання каменів у лабораторії є включення металу, наявність секторів зростання. Природні і штучні алмази мають різний характер люмінесценції.

У США виробництвом синтетичних алмазів за методом HPHT займається компанія Gemesis у Флориді і компанія Apollo Diamond в Бостоні виробляє камені за методом CVD. Виготовленням алмазів для ювелірних цілей займається Індія. Китай проводить дослідження для використання кристалів в передових технологіях. У Японії групою Diamond Wafer Team ведеться виробництво алмазних пластин, які можуть стати основою електроніки майбутнього. Компанія De Beers вирощує синтетичні алмази ювелірної якості.

Найбільш перспективним напрямком для штучних кристалів є промисловість. Природні екземпляри не підходять для використання в електроніці, бо в них міститься велика кількість різних дефектів. Синтетичні алмази використовуються в нанотехнологіях. Вони використовуються в мікроелектроніці, лазерній техніці, напівпровідникових матеріалах, космічної галузі, медицині та ін. З часом їх роль буде тільки зростати.

1.5. Легування алмазів

Для проведення наукових досліджень і застосування в техніці потрібні кристали високої якості, що володіють певними властивостями. Це непросте завдання, бо в каменях присутні дефекти. Частинки середовища кристалізації, дислокації (порушення структури), дефекти упаковки знижують якість алмазу. Їх в кристалі повинно бути небагато, або вони повинні бути відсутнім зовсім.

Існують також домішкові і власні дефекти, які необхідні для отримання певних властивостей. Потрібно визначити які центри відповідають за ту або іншу характеристику, і спробувати отримати в кристалі потрібну концентрацію. Вчені вже навчилися вирощувати камені без включень, мінімізувати кількість дислокацій і дефектів упаковки.

Щоб отримати кристал жовтого кольору, досить замістити 100 атомів Гідрогену з мільйона атомами Нітрогену. А природні екземпляри безбарвні, незважаючи на те, що в них міститься більша кількість Нітрогену. Ці атоми можуть утворювати різні центри, в результаті чого змінюються і властивості кристала. Вивчивши умови, в яких відбувається утворення цих центрів, можна домогтися потрібних властивостей.

Серед домішок, здатних надати алмазу n-тип провідності, найбільш перспективним є Фосфор, який має найменший атомарний радіус серед елементів V групи.

При додаванні в середовище кристалізації атомів Титану, Алюмінію, Цирконію можна отримати безбарвний алмаз, так як ці геттери з’єднаються з Нітрогеном. У природних умовах такі безазотні кристали зустрічаються рідко. Якщо додати Бор, то можна отримати камінь блакитного, синього, чорного кольору. Відтінок залежить від концентрації домішки.

Дослідження росту кристалів, їх структури, властивостей дозволяє виготовляти аналогічні зразки в лабораторії, а також отримувати кристали з новими характеристиками. Змінювати властивості алмазів вдається не тільки при їх вирощуванні, але і за допомогою термічної обробки.

1.6. Застосування каменя

Завдяки своїм унікальним властивостям алмази здавна приваблювали дослідників, які прагнули створити штучний аналог каменю. Цю загадку вдалося розгадати, і були створені штучні алмази. Сучасні розробники і технологи використовують синтетичні кристали у створенні приладів нового покоління. Висока твердість, теплопровідність, хімічна стійкість, електричні властивості роблять матеріал перспективним при авикористанні в різних галузях виробництва.

Леза скальпеля з алмазів відрізняється тонкими краями, тому хірург має змогу робити розріз меншої ширини. В лазерних установках їх використовують для припікання ран. Так як алмаз складається з Карбону він ідеально підходить для тіла людини. Імплантати з такого матеріалу не викликають імунну реакцію.

Кристал забезпечує можливість передачі декількох сигналів на різних частотах по кабелю. Він витримує високі напруги, перепади температур. Алмаз використовується в мікроелектроніці, бурінні гірських порід, виробництві інструментів.

Компанія AKHAN Semiconductor, яка виготовляє електронне обладнання та напівпровідникові елементи, пропонує поміняти кремній на алмаз при виробництві чіпів для смартфонів, ноутбуків. Твердий кристал може утримувати більше енергії, ніж Силіцій. Він також здатний працювати при більш високих температурах. Якщо його почнуть використовувати в сучасних гаджетах, то їх розміри зменшаться, а продуктивність зросте. Алмазні комплектуючі будуть дешевше деталей із Силіцію, так як немає необхідності в системі охолодження, а матеріал буде виготовлятися штучно. Таке рішення дозволить створювати напівпрозорі смартфони.

2. Практична частина

Практично з будь-якої речовини можна отримати кристали. Вони утворюються з розчину або розплаву, газової фази. Їх синтез виконують в лабораторіях та на заводах. При розчиненні речовин отримують насичені й ненасичені розчини. Насиченим називають розчин, у якому міститься максимальна кількість речовини, що розчиняється, при певній температурі.

Люди навчилися вирощувати кристали алмазу, застосовуючи для цього спеціальні технології. Синтез можливий при високих температурах і тиску. Щоб вивчити властивості кристалів, був обраний простий спосіб вирощування кристалів цукру в домашніх умовах.

2. 1. Вирощування кристалів цукру

Процес отримання кристалів є цікавим і пізнавальним заняттям. Це найбільш простий і безпечний спосіб отримання кристалів. Але при цьому необхідно строго дотримувати технологію, щоб отримати очікуваний результат.

Матеріали та інструменти:

• вода – 2 склянки;
• цукор – 5 склянок;
• шпажки для шашличків;
• скляні стакани або банки;
• щільний папір;
• глибока каструля;
• харчові барвники;
• прищіпки.

В першу чергу необхідно підготувати затравку. Це невеликі кристали речовини, які потім опускають у підготовлений розчин. Для цього необхідно налити чверть склянки води в каструлю і додати 2 столові ложки цукру, все ретельно перемішати. Поставити каструлю на вогонь і, постійно помішуючи, домогтися повного розчинення цукру. На аркуш паперу необхідно насипати цукор. Дерев’яні шпажки змочити в сиропі, а потім обваляти в цукрі (рис. 3). Потім їх треба залишити до ранку, щоб вони добре висохли. Якщо поквапитися, то при попаданні в гарячий сироп, кристалики осядуть на дно ємності.

Рис. 3 – затравки

Після того, як палички висохли, можна переходити до наступного етапу. У каструлю треба налити 2 склянки води і поступово додати 5 склянок цукру. Посуд поставити на вогонь. Необхідно постійно помішувати сироп, і дочекатися розчинення цукру. Як тільки речовина перестане розчинятися, був отриманий насичений розчин. Потім його знімають з вогню, він повинен трохи охолонути. Для цього достатньо 15 хвилин.

Треба також підготувати аркуші паперу. У них були зроблені по два отвори так, щоб лист щільно сидів на паличці. Після цього сироп був розлитий по склянках і банкам, додані харчові барвники:

• банка №1 – жовтий барвник;
• банка №2 – рожевий барвник;
• склянка №3 – зелений барвник;
• склянка №4 – бордовий барвник.

Заготовки були поміщені в ємності з розчином, так щоб вони не торкалися дна і стінок (рис. 4).

Рис. 4 – заготовки в розчині

У кожну посудину було опущено дві шпажки з затравкою. Додатково використовувалися прищіпки, щоб закріпити шпажки. Аркуш паперу не тільки допоміг утримувати палички, але і захищав розчин від пилу. Розчин був залишений на кілька днів. В результаті експерименту були отримані кольорові кристали (рис. 5).

Рис. 5 – кольорові кристали із цукру

Висновки

Вивчаючи властивості алмазу, його хімічний склад, люди навчилися створювати природні аналоги. Вдалося розгадати деякі загадки «каменю царів». Але чим більше фахівці займаються дослідженням цього дивного мінералу, тим більше з’являється питань. Завдяки легуванню кристала вдається домогтися потрібних властивостей, одержати матеріали з новими характеристиками. Це дозволяє використовувати його в новітніх технологіях. Деякі таємниці алмазу ще належить розгадати в майбутньому.

Вчені стверджують, що при вирощуванні кристалів в промислових і лабораторних умовах, навіть невелике відхилення в температурному режимі призводить до зниження якості отриманого алмазу. Недотримання технології при вирощуванні будь-яких кристалів може привести к неочікуваним результатам. Твердження було перевірено при проведенні домашнього досвіду. Зниження температури привело до того, що зростання кристалів сповільнювалося. Суворе дотримання технології є гарантією отримання відмінного результату.

З метою спостереження за ростом кристалів був проведений експеримент – вирощування в домашніх умовах кристалів цукру. Було відмічено, що у різних напрямках вони ростуть з різною швидкістю. Це пов’язано з анізотропією кристалів. Ця властивість залежить від атомної будови речовини. Підвищення температури призводить до інтенсивного випаровування розчину. Кристали починають рости швидше. Чим більше світла і тепла, тим вище швидкість росту. Отримати кристали можливо будь-якого розміру і кольору.

Вирощуючи кристали можна глибше зрозуміти їх природу, вивчити їх властивості та умови утворення.

Література

1. Шаскольская М. П. Очерки о свойствах кристаллов. -2-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987
2. Шаскольская М. П.Кристаллы – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978
3. Прокопчук Б. И., Ваганов В. И. От алмаза до бриллианта. – М.: Недра, 1986
4. Ферсман А. Е. Кристаллография алмаза – Ленинград, 1955
5. Милашев В. А. Алмаз. Легенды и действительность. – Л.; Недра, 1981
6. Образование алмазов – тайна Вселенной http://gems-and-jewels.ru/kak-obrazuyutsya-almazy.html
7. Синтетические алмазы – будущее новейших технологий http://www.rough-polished.com/ru/analytics/105822.html
8. Свойства и методы производства искусственных алмазов https://dedpodaril.com/yuvelirka/kamni/iskusstvennye-almazy.html
9. Где растут алмазы https://scfh.ru/papers/gde-rastut-almazy/
10. Физики нашли способ улучшить алмазы http://www.membrana.ru/particle/7899
11. Алмазы могут заменить кремний в смартфонах и ноутбуках http://firstnewz.ru/information-technology-it/19054-almazy-mogut-zamenit-kremniy-v-smartfonah-i-noutbukah.html

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!