книги из ГПНТБ / Жилинский, Г. Б. Искусственные минералы

влинзах биноклей и фотоаппаратов. Они позволяют видеть и фотографировать местность ночью, сквозь ту­ ман и облака, так как оптические линзы из этих кри­ сталлов способны пропускать инфракрасные (тепловые) лучи. Вспомним опубликованные в газетах космиче­ ские фотографии нашей Земли, Луны, Венеры. Их четкость и контрастность достигнуты благодаря высо­ ким качествам оптических линз фотокиноаппаратуры,

вкоторой использовались искусственные кристаллы.

Для получения кристаллов некоторых тугоплавких веществ (например, окиси алюминия — корунда, руби­ на, которая активно вступает в реакцию при температу­ ре плавления 2050°С) применяется классический метод Вернейля. Он основан на том, что тонкий порошок ве­ щества просыпается через пламя кислородно-водород­ ной горелки на тугоплавкий корундовый или силитовый стержень. Частицы порошка (алюмоаммонийные квасцы) плавятся в пламени горелки и в виде капель расплава попадают на разогреваемую коническую «зат­ равку». Вначале образуется конус из спекшегося по­ рошка, на вершине которого вырастает чистый прозрач­ ный кристалл, обычно в форме «бульки». На этом принципе построены все методы промышленного полу­ чения кристаллов рубина, сапфира, александрита, ру­ тила и многих других ценных минералов. Он нашел широкое применение благодаря простоте оборудования и относительно высокой производительности. За шесть часов работы установки можно получить кристалл ру­ бина весом в 200—300 каратов.

Следует отметить, что при производстве драгоцен­ ных камней исследователи научились вводить в них примеси таких химических элементов, как железо< хром, титан, ванадий и другие. Последние были извест­ ны геологам как уникальные по качеству «красители», непревзойденные по количеству создаваемых ими от­

42

тенков окраски. Возьмем искусственные кристаллы, ос­ новную часть которых составляет окись алюминия: красный рубин содержит 1—2 процента окиси хрома; голубой сапфир — до 1 процента железа, 0,1 процента окиси титана; фиолетовый сапфир—0,5 процента оки­ си железа, 0,05 процента окиси титана и окись хрома; александрит — до 3 процентов окиси ванадия.

Другой способ выращивания кристаллов из распла­ вов состоит в том, что из химически чистых солей и окислов составляется смесь (шихта). Составные части шихты берутся в соотношениях, отвечающих составу минерального образования, которое мы желаем полу­ чить. За основу принимается состав минерала, извест­ ный в природных условиях. Составленная смесь поме­ щается в тигль (ванночку) из тугоплавкого материала. Тигль вместе с электрическим нагревателем тщательно теплоизолируется и нагревается по заданному режиму. При нагревании до определенной температуры полу­ чается расплав, в котором расплавленные вещества находятся в строго определенных соотношениях как по весу, так и по объему. Как говорят специалисты, полу­ чается расплав стехиометрического состава (от грече­ ских слов : otaixoioy — составная часть, элемент и petpéœ — измеряю). Затем состав медленно по опреде­ ленной программе охлаждается и из него выкристал­ лизовываются крупные кристаллы искусственного ми­ нерального вещества. Таким путем получаются слюды, асбест, берилл, изумруды.

О широком распространении слюд в природе мы уже говорили. Однако взгляните на монтажное плато радиоприемника или телевизора и вы увидите массу плоских электрических конденсаторов, основную часть которых составляют слюды. Они являются наиболее важными электрическими изоляторами. Кристаллы слюд особого качества применяются в радиолампах как

43

очень стойкие диэлектрики. Природные кристаллы слюд обычно малы по размерам, загрязнены примеся­ ми, а запасы чистых минералов не могут удовлетворить потребности бурно развивающейся электронной про­ мышленности. А ведь для нее нужны кристаллы особо­ го качества.

Впервые кристаллы искусственной слюды были об­ наружены в шлаках металлургических печей в 1822 году. Но только в 1934 году ленинградский уче­ ный Д. П. Григорьев впервые осуществил синтез кри­ сталлов слюды размером до нескольких миллиметров. В 1944 году в Японии были получены двухкилограм­ мовые слитки слюды с кристаллами размером 1—2 квадратных сантиметра.

В настоящее время основой для производства этого минерала является смесь стехиометрического состава, состоящая из кальцинированной окиси магния, окиси алюминия, фторосиликата калия и порошка кварцита. Такая смесь нагревается в тигле до 1400—1450° С и превращается в расплав, который со скоростью 0,3° в час охлаждается до температуры 1100°С. Полученный искусственный минерал (фторфлогопит) затем остывает вместе с печью. Технология его получения в разных странах различна: в Японии применяются алунитовые (природное сернокислое соединение калия и алюминия) тигли; в США используется безтигельный метод плав­ ки — за счет внутреннего сопротивления расплава ; у нас в стране разработан наиболее экономический спо­ соб плавки в железных тиглях.

Полученная искусственная слюда — фторфлогопит по всем показателям значительно лучше природного мусковита. Она не поглощает влагу, сохраняет свои свойства даже при температуре 1000°С (мусковит толь­ ко до 500°С), не боится глубокого вакуума, паров кис­ лот и щелочей, лучше пропускает ультрафиолетовые

44

лучи и т. д. Некоторые образцы фторфлогопита дости­ гают 150 кубических сантиметров.

Человек нашел пути получения новых качеств у известных в природе образований. Введение в исходную смесь лития делает искусственную слюду эластичной, а добавки барита (безводного сульфата натрия) повы­ шают ее термостойкость.

И вновь мы отмечаем удивительные свойства эле­ ментов — красителей. Так, присутствие кобальта в од­ них звеньях кристаллической решетки придает слюде голубой цвет, а в других — розовый. Атомы никеля, введенные в кристаллическую структуру минерала, окрашивают его в зеленовато-желтый цвет; марган­ ца — в темный, пурпурно-коричневый; трехвалентного железа — в коричневый, двухвалентного — в серебри­ сто-серый. Как показали эксперименты, окрашенная слюда особенно хороша для светофильтров и вакуум­ ных приборов.

Еще одним примером получения необходимого нам минерального вещества, встречающегося в природе и нашедшего широкое применение в промышленности, является синтез искусственного асбеста. Асбест, или «горный лен»,— название ряда тонковолокнистых ми­ нералов — силикатов магния. Длина их волокон достигает 5 сантиметров, редко более. Природные обра­ зования этого минерала — хризотил-асбест и амфиболасбест используются как ценный огнеупорный строи­ тельный материал, для тепло- и электроизоляционных прокладок, выработки несгораемых тканей. В нашей стране добывается ежегодно до полутора миллионов тонн асбеста — половина мировой добычи. И все-таки этих запасов недостаточно для нужд народного хозяй­ ства. Тем более химическое непостоянство состава при­ родного асбеста затрудняет его промышленное приме­ нение.

45

Полученный искусственный асбест — прекрасный изолятор звука, термостоек (выдерживает температуру почти 1000°С, в то время как природный — всего 600°С). Эффективные по качеству фильтры из искусст­ венного асбеста будут применяться для очистки воды, воздуха, в химической и пищевой промышленности. В строительной индустрии область его применения фак­ тически не ограничена.

Экспериментальные работы по синтезу асбеста ве­ дутся во многих странах: США, ГДР, ФРГ, Чехослова­ кии, продолжаются и у нас. Эти работы направлены на получение длинноволокнистого асбеста, пригодного для прядения, а также специальных сортов асбеста. Уже получены волокна длиной до б миллиметров. Из смеси окиси кальция, окиси магния, двуокиси кремния при соотношении двух последних 1:1 получают искусствен­ ный амфибол-асбест. Эта разновидность асбеста в отли­ чие от других обладает высокой устойчивостью к кисло­ там и морской воде, сохраняя присущие минералу огнестойкость и высокие теплоизоляционные качества.

Синтез минералов по принципу полиморфных пре­ вращений. Обращаемся вновь к царю минералов — ал­ мазу. Он получил свое название от искаженного гре­ ческого слова «адамас», что значит неодолимый, непреоборимый. Еще издавна была известна его высо­ кая твердость, однако ее природа долгое время была не ясна. И только великий русский ученый М. В. Ломоно­ сов высказал гениальную мысль о том, что причиной столь необычной твердости алмаза является «сложение его частиц, тесно соединенных». Ряд вопросов, связан­ ных со свойствами и происхождением алмазов, был решен учеными только в XX веке.

Алмаз — чистейшая, совершенно прозрачная раз­ новидность углерода. По химическому составу он родст­ венник мягкому пишущему графиту, древесному и ка­

46

менному углю, саже дымовых труб. При сильном нака­ ливании в струе кислорода он сгорает с образованием углекислоты. Оказалось безразличным, сожжем мы 12 весовых частей сажи, угля, графита или алмаза, все равно получим 44 весовые части углекислого газа. Но по удельному весу алмаз почти в 1,5—2 раза тяжелее своих «мягкотелых» родственников. Это связано с плотнейшей «упаковкой» его атомов в кристаллической структуре минерала.

78—80 процентов добываемых природных алмазов используется в промышленности. Алмазные инстру­ менты применяются во многих отраслях народного хозяйства. До открытия' якутских месторождений и на­ чала синтеза алмазов наша страна закупала их за гра­ ницей. Технология промышленного производства синте­ тических алмазов разработана в 1961—1962 годах. В настоящее время искусственные алмазы производят семь стран: СССР, США, Швеция, Япония, ЮАР и Чехословакия.

Синтез алмазов заслуживает большого внимания не только потому, что он явился осуществлением вековой мечты человечества — создать самый твердый на Земле минерал и тем самым разгадать еще одну тайну приро­ ды. В первую очередь потому, что он позволил органи­ зовать совершенно новую отрасль промышленности, без которой немыслимо было бы развитие техники высоких давлений, экспериментальной физики, химии, минера­ логии. Только в 1975 году советскими учеными сделано немало открытий в области физики твердых тел, экспе­ риментальной минералогии и других наук. Многие из этих открытий имеют всемирное значение и отмече­ ны Государственными премиями СССР. Эти достижения обязаны рождению в шестидесятых годах нашего столе­ тия отрасли промышленности, сумевшей создать искус­ ственные алмазы.

47

Синтетические алмазы образуются при давлениях 50—100 тысяч атмосфер и температуре от 1200 до 2400°С. Условия протекания процесса синтеза в значи­ тельной мере зависят от применяемых катализаторов. Температура и давление должны соответствовать обла­ сти термодинамической устойчивости системы, в кото­ рой рождается алмаз, то есть такому состоянию, когда в системе устанавливается механическое равновесие и затухают движения всех макроскопических частиц от­ носительно друг друга, исчезают разности температур, химические реакции, переходы вещества из одного газового состояния в другое. При этом температура должна быть достаточной, чтобы гарантировать плав­ ление металла-катализатора. Применение в качестве катализаторов таких элементов, как хром, марганец, кобальт, никель, рутений, осмий существенно изменило параметры синтеза. Титан эффективен при образовании мелких кристаллов алмаза.

Рост алмазов обычно начинается в тонкой пленке, образующейся на контакте графитового стержня и расплавленного катализатора, и происходит со ско­ ростью не менее 0,1 миллиметра в минуту. Внешний вид кристаллов алмаза изменяется в зависимости от температуры их образования. При самых низких тем­ пературах возникают кубы, при средних — смешанные кубы, кубооктаэдры, при высоких — октаэдры (пра­ вильные многогранники, имеющие восемь треугольных граней, шесть вершин, в каждой из которых сходятся четыре ребра). Окраска минерала меняется от светлой (при высоких температурах образования) до черной (при низких).

Черный алмаз относится к известной в природе раз­ новидности алмаза «карбонадо» (от испанского слова carBonado — черный), встречающегося в виде тонко­

48

зернистых непрозрачных пористых масс темных и реже зеленоватого цветов. Этот минерал представляет собой не монокристалл, а агрегат микроскопических зерен алмаза, сцементированных атомарным углеродом и графитом. Природный карбонадо обладает большой вязкостью и применяется для обработки ювелирных алмазов и алмазного бурения скважин в особо твердых породах. В природе черные алмазы встречаются край­ не редко и только в россыпях современных и древних речных долин, главным образом, в Бразилии и реже в Венесуэле.

Не так давно ученые Института высоких давлений Академии наук СССР под руководством Л. Ф. Вереща­ гина осуществили синтез искусственного карбонадо. Тем самым была решена проблема алмазного голода в нашей промышленности. По советские ученые пошли дальше. В том же институте были созданы искусствен­ ные б а л а с ы — алмазы шаровидной формы и лучи­ стого строения. С помощью баласов обрабатывается за­ каленная подшипниковая сталь (чистота обработки при этом достигает высокого класса точности), из них делаются филеры для протяжки тонкой точно калибро­ ванной проволоки. Раскрыв тайну алмаза, ученые реши­ ли изменить его свойства. И вот в кристаллическую решетку минерала вместо атомов углерода были введе­ ны атомы бора и азота. Полученный минерал был наз­ ван боразоном. Имея шаровидную форму и лу­ чистое строение как у баласа, он превосходит по твердости алмаз и, в частности, карбонадо. В настоящее время этим материалом обрабатываются алмазные инструменты. Боразонный алмаз обладает еще одним преимуществом. Обычный алмаз при температуре 800°С превращается в графит, а боразон выдерживает нагрев до 2000°С. Любой алмаз хрупок, как стекло, и легко рассыпается в порошок от удара. Боразонный

балас выдерживает значительные удары. Таким обра­ зом, изучив природное минеральное образование, человек способен изменить его качества в нужную ему сторону и создать вещество, неизвестное ранее в при­ роде.

С 1965 года производство алмазного инструмента в

СССР возросло в 65 раз. А в 1968 году советскими уче­ ными были впервые получены нитевидные алмазы из газовой фазы. Первые в мире алмазные «усы» синтези­ рованы при нормальном давлении. Ученые ожидают, что развитие этого метода позволит выращивать боль­ шие нитевидные кристаллы алмаза.

Гидротермальный синтез минералов. Этот метод — самый сложный в создании искусственных минералов. В экспериментальной минералогии он занимает особое место, так как именно в таких условиях из минерали­ зованных водных растворов при высоких температурах и давлениях в природных условиях образуется боль­ шинство минералов.

В поисках сред для выращивания кристаллов уче­ ные обратились к сведениям о природных гидротермах. В естественных кристаллах ряда минералов были обна­ ружены мелкие пузырчатые включения, заполненные жидкими растворами. Анализируя их, геологи и ми­ нералоги установили, что в них сохраняются летучие и нелетучие компоненты исходного кристаллизационно­ го раствора, из которого вырастал минерал, содержа­ щий эти включения. Хотя состав включений родстве­ нен и связан с вмещающим их минералом, тем не менее он не всегда соответствует первоначальному составу кристаллизационного раствора. Но это относится, как правило, к тем элементам, которые находились в гид­ ротермальном растворе в крайне незначительных количествах. Главные компоненты минерализованного

60