Кристаллы и их применение

Министерство общего профессионального образования Свердловской области
Управление образования Нижнесергинского муниципального района
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа с.Кленовское
Проектно-исследовательская работа
Тема «Кристаллы и их применение»
Исполнители:
Вараксин Василий, ученик 11 класса
Копылова Ольга, ученица 11 класса
Лутков Антон, ученик 11 класса
Руководитель:Заболотных З.П., учитель физики
с.Кленовское
2012г
Содержание
1.Введение. Актуальность физики кристаллических тел………………………...........стр.2
2.Кристаллы и их физические свойства.
2.1Понятие «кристалл»………………………………………………………………….стр.3
2.2 Пространственная решётка…………………………………………………………стр.3
2.3 Разнообразие форм кристаллов. Симметрия в кристаллах……………………….стр.4
2.4 Монокристаллы и поликристаллы………………………………………………….стр.5
2.5 Полиморфизм………………………………………………………………………...стр.5
2.6 Анизотропия………………………………………………………………………….стр.6
3.Кристаллы-драгоценные камни
3.1Происхождение и строение драгоценных камней…………………………………стр.8
3.2 Самоцветы и поделочные камни…………………………………………………...стр.8
3.3 Спайность и излом…………………………………………………………………..стр.9
3.4 Плотность…………………………………………………………………………....стр.10
3.5 Меры массы драгоценных камней…………………………………………………стр.10
4 Оптические свойства драгоценных камней
4.1 Цвет………………………………………………………………………………….стр.12
4.2 Светопреломление………………………………………………………………….стр.12
4.3 Дисперсия…………………………………………………………………………...стр.13
4.4 Поверхностные оптические эффекты……………………………………………..стр.13
5. Жидкие кристаллы
5.1 Понятие «жидкий кристалл»……………………………………………………….стр.15
5.2 Физические свойства и классификация жидких кристаллов…………………….стр.15
6. Области применения жидких кристаллов
6.1TVT – технология……………………………………………………………………стр.17
6.2 TN + Film – технология…………………………………………………………….стр.17
6.3 SVT- технология…………………………………………………………………….стр.17
6.4 MVF – технология…………………………………………………………………..стр.17
7.Технология выращивания кристаллов в домашних условиях……………………….стр.19
8.Исследование физических свойств выращенного кристалла
8.1 Наблюдения за ростом кристалла медного купороса……………………………..стр.20
8.2 Исследование теплопроводности кристалла медного купороса…………………стр.20
9. Применение кристаллов в науке и технике…………………………………………..стр.21
10. Выводы проектно – исследовательской работы……………………………………стр.23
11. Заключение……………………………………………………………………………стр.24
12.Список использованной литературы…………………………………………………стр.26
1
Введение
Мы живём в мире, в котором большая часть веществ находится в твёрдом состоянии.
Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Живём в домах и
квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: телевидение,
радио, компьютеры и т. д.А ведь все это твёрдые тела. С физической точки зрения, человек
– твёрдое тело. Так что же такое твёрдые тела?
В отличие от жидкостей, твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму, т. к.
положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил
межмолекулярного
взаимодействия частиц не могут удаляться друг от друга на
значительные расстояния.
В природе часто встречаются твёрдые тела, имеющие форму правильных
многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств
кристаллов показало, что геометрически правильная форма – не главная их особенность.
Знаменитое изречение академика А.Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире
царит кристалл и его твёрдые прямолинейные законы» полностью согласуется с
неугасающим научным интересом учёных всего мира и всех областей знания к данному
объекту исследования. В конце 60-х годов прошлого века начался серьёзный научный
прорыв в области жидких кристаллов, породивший «индикаторную революцию» по замене
стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку
вошло понятие биологический кристалл (ДНК,вирусы и т. д.), а в 80-х годах ХХ века –
фотонный кристалл.
Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая
решётка? Как растут кристаллы? Можно ли кристалл вырастить в домашних условиях? Как
и где они применяются в настоящее время? Какие кристаллы можно назвать драгоценными
камнями? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попытались найти на них ответы, т. к.
в учебнике этой теме отводится только один параграф и ответов на эти вопросы мы не
нашли, или эти ответы были неполными. Тема «Кристаллические тела» считаем актуальна.
Благодаря новейшим открытиям в области физики твёрдого тела, а точнее в физике
кристаллических тел произошёл огромный скачок в развитии науки и техники,
современных средств связи, компьютерной техники, космических аппаратов.
Поэтому мы наиболее полно и всесторонне решили изучить эту проблему, поставили
цели и определённые задачи.
Цели работы:

Проследить эволюцию взглядов на природу кристаллов;

Изучить строение и физическое свойства кристаллов, благодаря которым они
нашли такое широкое применение;

Исследовать области применения кристаллов;

Выяснить, почему человек издавна обращает внимание на некоторые кристаллы и
называет их драгоценными, за какие свойства и качества.

Выращивание кристаллов и наблюдение за процессом их роста.
Задачи:

Провести анализ источников по теме проекта;

Познакомиться с представлениями ученых о твердых кристаллах на протяжении
нескольких столетий;

Рассмотреть особенности пространственных решеток и их классификацию;

Изучить физические свойства кристаллов;

Познакомиться с применением жидких кристаллов;

Выбрать способ, приемлемый для выращивания кристаллов в домашних условиях;

Создать мультимедийную презентацию по теме проекта.
2
2. Кристаллы и их физические свойства
2.1. Понятие «кристалл».
Слово «кристаллос» у древних греков обозначало лед. Так же назывался и водянопрозрачный кварц (горный хрусталь), ошибочно считавшийся тогда «окаменевшим льдом».
Впоследствии этот термин был распространён на все кристаллические тела.
Кристаллами обычно называют твердые тела, образующиеся в природных или
лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые
строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена совершенными
плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям ребрам. Точки пересечения
ребер образуют вершины. Данное определение нельзя назвать правильным и оно требует
ряд существенных поправок, так как охватывает не все кристаллические образования.
Приведем несколько примеров, доказывающих это:
На рисунке ( См. Приложение № 1). изображены кристаллы меди (в виде кристаллического скелета) и буля искусственного рубина. У кристалла меди хорошо разрослись
ребра и вершины, а граней почти не видно. На округлом кристалле алмаза плоские грани
заменены выпуклыми поверхностями, а ребра кривыми линиями. На буле искусственного
рубина вовсе нет ни граней, ни ребер, ни выступающих вершин. Вспомним всем известную
горную породу гранит, состоящую из зерен полевого шпата, кварца и слюды. Все эти зерна
- кристаллы, однако их неправильные извилистые контуры не сохранили никаких следов
прямолинейности и плоскогранности. Гранит возник из огненно-жидкого глубинного
расплава - магмы. В процессе остывания расплава из него выпадало множество
кристалликов полевого шпата, кварца, слюды. Одновременно рост всех этих твердых
образований, мешавших друг другу развиваться, и привел к тому, что отдельные кристаллы
не смогли получить свойственную им правильную многогранную форму. Зернистые кристаллические агрегаты, аналогичные граниту и другим горным породам, имеют самое
широкое распространение не только в природе, но и в окружающей нас рабочей и
домашней обстановке. Металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и
кирпич - все это состоит из кристаллических зерен.
Для образования хорошо ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало
им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.
Кристаллами можно назвать все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы,
ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных
решеток. Это определение является всеобъемлющим, оно приложимо к любым однородным
кристаллическим телам: и булям, и зернам, и «скелетам», и плоскогранным фигурам.
2.2 Пространственная решетка.
На рисунке ( См. Приложение № 2) показаны модели закономерного расположения
атомов (ионов) в кристаллах поваренной соли NaCl и кальцита СаСОз.
Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов - в структурах
кристаллов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие
узлов пространственной решетки. Чтобы представить себе такую решетку, мысленно
заполним пространство множеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся но целым граням.
Простейший пример такой постройки из параллелепипедов представляет кладка из
одинаковых кубиков или кирпичиков, вплотную приложенных друг к другу. Если внутри
каждого параллелепипеда выделить соответственные точки, например, их центры или вершины, то можно получить модель пространственной решетки.
В реальных кристаллических структурах места узлов пространственной решетки могут
занимать отдельные атомы или ионы (заряженные атомы), а также молекулы. Прямые
линии, по которым расположены частицы в решетке, называют «рядами», а плоскости,
3
усаженные частицами, именуются «плоскими сетками». Для всех без исключения
кристаллов характерно решетчатое строение.
2.3 Разнообразие форм кристаллов. Симметрии в кристаллах.
Форма кристалла зависит от его внутреннего строения, т. е. от кристаллической
структуры (под структурой понимается пространственное расположение всех
материальных частиц: атомов, молекул, ионов, слагающих кристалл).
Такую структуру схематично изображают в виде пространственной решетки. При этом
вершины, ребра и грани кристалла соответствуют узлам, рядам и плоским сеткам решетки.
«Важнейшие» грани, лучше всего развитые и чаще всего встречающиеся на кристаллах
какого-либо вещества, совпадают с плоскими сетками, наиболее густо покрытыми
частицами. Этот закон, открытый французским ученым Огюстом Браве (1811- 1863), дает
понятие о зависимости формы кристалла от его структуры. На формирование
кристаллического тела накладывает свой отпечаток и питающая его среда. Обратимся
теперь к самим формам кристаллов.
В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и
неразрешимой загадкой. В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер
(1571 1630) обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался
объяснить её тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков,
теснейшим образом присоединенных друг к другу (вокруг центрального шарика можно
вплотную разложить только шесть таких же шариков). По пути, намеченному Кеплером,
пошли впоследствии Роберт Гук (1635 1703) и М. В. Ломоносов (1711 1765). Они также
считали, что элементарные частицы внутри кристаллов можно уподобить плотно
упакованным шарикам. Принцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии.
Через 50 лет после Кеплера (в 1669 г.) датский геолог, кристаллограф Николаус Стеной
(1638 1686) впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост
кристалла происходит не изнутри, как у растений, но путем наложения на внешние
плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью».
Внимательно разглядывая реальные кристаллы кварца, Стеной обратил также внимание
на их отклонения от идеальных геометрических многогранников с плоскими гранями и
прямыми ребрами от идеализированных схем. Однако все эти отклонения привели учёного
к открытию основного закона геометрической кристаллографии - закон постоянства углов.
«Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их
взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов».
Закон постоянства углов явился надежным фундаментом для развития геометрической
кристаллографии и дал богатейший материал для установления истинной симметрии
кристаллических тел.
Кристаллограф Репе Жюст Гаюи (1743 1822). заметил, что случайно выпавший из его
рук
большой
кристалл
кальцита
раскололся
па
множество
маленьких
параллелепипедальных (ромбоэдрических) осколков (кальцит обладает хорошей
спайностью способностью раскалываться — по ромбоэдру). В этот именно момент в его
уме зародилась новая теория строения кристаллов. Гаюи предположил, что кристаллы
построены не из мельчайших шариков, а из молекул параллелепипедальной формы и что
предельно малые спайные осколки и являются этими самыми молекулами. Иными словами,
кристаллы представляют собой своеобразные кладки из молекулярных «кирпичиков»
(См.Приложение №3)
Эта теория сыграла в свое время большую историческую роль, дав толчок к зарождению
теории решетчатого строения кристаллов. Этим не исчерпываются заслуги Гаюи. Впервые
обратил он внимание на то, что наблюдателю, разглядывающему кристалл с разных сторон,
4
нередко кажется, что перед ним как бы повторяется одна и та же картина. Объясняется это
тем, что такой кристалл состоит из повторяющихся равных частей. Гаюи одним из первых
уловил симметричное строение множества кристаллических тел
Французский кристаллограф Браве будучи моряком-метеорологом заинтересовался
формами снежинок и стал углубленно заниматься наукой о кристаллах. В отличие от своих
предшественников, приписывавших элементарным частицам в кристаллах шаровую или
параллелепипедальную форму, Браве отказался от всяких предположений относительно
таинственных и недоступных тогда форм молекул или атомов. Молекулярные «кирпичики»
Гаюи были заменены Браве точками центрами их тяжести. Выделив в кирпичной кладке
центры тяжести всех кирпичиков, получим уже знакомую нам пространственную решетку.
Высказав гипотезу о решетчатом строении всех вообще кристаллических тел, Браве
заложил основу современной структурной кристаллографии задолго до экспериментальных
исследований кристаллических структур с помощью рентгеновских лучей. Согласно закону
кристаллографической симметрии для кристаллов возможны оси симметрии лишь первого,
второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Тем самым на кристаллических фигурах
никогда не бывает осей симметрии пятого порядка, а также осей симметрии порядка выше
шестого, так как они невозможны в решетках. (См. Приложение №4)
В 1867 г. наш соотечественник, крупный военный специалист, профессор
артиллерийского училища академик А. В. Гадолин (1828-1892) был также большим
любителем и знатоком минералов и их кристаллических форм. В его классическом труде
«Вывод всех кристаллографических систем и их подразделений из одного общего начала»
раз и навсегда было установлено существование 32 видов симметрии для конечных
кристаллографических фигур. Они являются основой математического вывода форм,
возможных для кристаллов.
Полный набор элементов симметрии для конечных кристаллических фигур
(кристаллических многогранников):С, Р, L|, L2, L3, L4, Ц, Li4, L|6.
Перебрав все возможные комбинации перечисленных элементов симметрии, мы и
получим 32 комбинации - 32 вида симметрии ( См. Приложение № 4 ).
Виды симметрии подразделяются на три категории (низшую, среднюю и высшую) и на
семь систем –сингоний. «Сингония» - по-гречески сходноугольность. Название
«триклинная» указывает также по-гречески на три косых угла (система координатных осей
для триклинных кристаллов является целиком косоугольной). «Моноклинная» - один косой
угол (в системе координатных осей один угол косой и два прямых). «Ромбическая»
сингония обнаруживает часто наличие ромбических сечений в кристаллах. «Тригональная»
- треугольная; «тетрагональная» - четырехугольная; «гексагональная» - шестиугольная. Эти
названия также связаны с характерными сечениями кристаллических форм. Название
«кубическая» сингония происходит от главной формы — куба.
2.4. Монокристаллы и поликристаллы
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами.
Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую
упорядоченную кристаллическую решётку. Монокристаллы обычно обладают
геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным.
Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел
представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных
маленьких кристаллов - кристаллитов. Такие тела называются поликристаллами. В отличие
от монокристаллов поликристаллы изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех
направлениях.
5
2.5 Полиморфизм кристаллов
Многие вещества в кристаллическом состоянии могут существовать в двух или более
фазовых разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это
явление называется полиморфизмом. Каждая модификация устойчива в определенном
интервале температур и давлений.
Упорядоченное расположение атомов или молекул в кристалле определяется действием
сил межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Тепловое движение атомов и
молекул нарушает эту упорядоченную структуру. При каждом сочетании давления и
температуры реализуется тот тип укладки частиц, который в данных случаях наиболее
устойчив и энергетически выгоден, т. е. то или иное фазовое состояние.
Превращения кристаллов одного и того же вещества с различным типом решетки друг с
другом происходят в соответствии с фазовыми переходами типа плавления и испарения.
Каждому давлению соответствует определённая температура, при которой оба типа
кристаллов сосуществуют. При изменении этих условий происходит фазовый переход.
Хорошим примером данного явления является углерод. В природе встречаются три
аллотропические модификации углерода: алмаз, графит и карбин. (См. Приложение №5 )
Алмаз кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в
кристалле алмаза связан атомами. Это обусловливает исключительную твердость алмаза.
Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов: для резки стекла, при
буровых работах, для вытягивания проволоки и др. Алмаз практически не проводит
электрический ток, плохо проводит тепло. Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют
лучи света и при огранке красиво блестят, из таких алмазов делают украшения
(бриллианты).
Графит
непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим блеском. В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями, состоящими из
шестичленных колец. В них каждый атом углерода связан прочными ковалентными
связями с тремя соседними атомами. За счет четвертого валентного электрона каждого слоя
возникает металлическая связь. Этим объясняется металлический блеск и довольно
хорошая электрическая проводимость и теплопроводность графита. Из графита
изготовляют электроды для электрохимических и электрометаллургических процессов.
Между слоями в графите действуют межмолекулярные силы. Поэтому графит легко
расслаивается на чешуйки. При слабом трении графита о бумагу на ней остается серый след
(«графит» от латинского «пишущий»). Графит применяют для изготовления грифелей
карандашей, в технике в качестве смазочного материала.
Графит тугоплавок, химически весьма устойчив. Из смеси графита с глиной
изготовляют, огнеупорные тигли для выплавки металлов в металлургии. Графит применяют
как материал для труб теплообменников в химической промышленности. В ядерных
реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов.
К а р б и н с т а л известен сравнительно недавно. Он был получен советскими учеными,
а уже позднее обнаружен в природе. Это черный порошок. Кристаллическая решетка
построена из линейных углеродных цепочек. По электрической проводимости карбин
занимает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и графитом (проводник):
карбин - полупроводник.
Аллотропические модификации углерода взаимопревращаемы. При нагревании алмаз
постепенно переходит в графит. Для превращения графита в алмаз требуются очень
высокое давление (порядка МО" Па) и высокая температура (1500-3000 °С). В настоящее
время искусственное получение алмазов из графита проводится в производственных
масштабах.
6
2.6 Анизотропия кристаллов
Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по
различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от
направления анизотропии.
А н и з о т р о п и я - зависимость физических свойств вещества от направления.
Физические свойства поликристаллов не зависят от направления: они изотропны.
И з о т р о п и я независимость физических свойств вещества от направления.
Простейший пример анизотропии кристаллов - неодинаковая их прочность по разным
направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел.
Тепловые, электрические и оптические свойства также не одинаковы по различным
направлениям. Анизотропия физических свойств кристаллов и правильная внешняя форма
получили объяснение на основе атомно-молекулярной теории строения вещества.
Различна в разных направлениях и теплопроводность монокристаллов. У графита
теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше, чем по нормали к слоям: тепло легче
передастся в тех плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы.
Графит - пример кристалла с так называемой слоистой структурой, у него различие
структуры вдоль слоев и поперёк них бросается в глаза. В других структурах эти различия
могут быть не так уж очевидны, но всегда от симметрии структуры, от расположения
атомов, от сил связи между ними зависит анизотропия свойств кристалла.
Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов. Кристаллы со
слоистой структурой - слюда, гипс, графит, тальк в направлении слоев совсем легко
расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других
плоскостях.
Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. А вот разбиваются они
совсем не как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, он разбивается на
кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это явление спайности. т. е. способности
раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности.
Кристаллы кальцита тоже обладают весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда
разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями. Ромбоэдр - это
косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый вдоль одной из его
диагоналей.
С п а й н о с т ь - это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления
между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и
кристаллы раскалываются по этим плоскостям.
7
3. Кристаллы - драгоценные камни.
3.1 Происхождение и строение драгоценных камней.
Все драгоценные камни, за редким исключением, принадлежат миру минералов.
Напомним об их происхождении и строении. Минералы могут возникать различными
способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов и газов в недрах Земли или из
вулканических лав, извергнутых на ее поверхность (магматические минералы). Другие
выпадают из водных растворов либо растут с помощью организмов на (или вблизи) земной
поверхности
(осадочные
минералы).
Новые
минералы
образуются
путем
перекристаллизации уже существующих минералов под влиянием больших давлений и
высоких температур в глубинных слоях земной коры (метаморфические минералы).
Химический состав минералов выражают формулой. Примеси при этом не
учитываются, даже если они вызывают появление цветовых оттенков, вплоть до полного
изменения цвета минерала. Почти все минералы кристаллизуются в определенных формах,
то есть представляют собой кристаллы - однородные по составу тела с регулярным
расположением атомов, ионов или молекул в решетке. Кристаллы характеризуются
строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно гладкими плоскими
гранями. В большинстве своем кристаллы мелки, отчасти даже микроскопически малы; но
встречаются
и
гигантские
экземпляры.
Внутренняя
структура
кристаллов
(пространственная решетка) определяет их физические свойства, в том числе внешнюю
форму, твердость и способность раскалываться, тип излома, плотность и оптические
явления.
В кристаллографии все кристаллы систематизированы, распределены по семи
сингониям (системам) (См. Приложение № 6): кубической, тетрагональной,
гексагональной, тригональной, ромбической, моноклинной и триклинной. Различия между
ними проводятся по кристаллографическим осям и углам, под которыми эти оси
пересекаются.
Кубическая сингония (иногда называемая также правильной): все три оси одинаковой
длины и ориентированы взаимно перпендикулярно. Типичные формы кристаллов - куб,
октаэдр (восьмигранник), ромбододекаэдр (12-гранник с четырехугольными гранями),
пентагондодекаэдр (12-гранник с пятиугольными гранями), икоситетраэдр (24-гранник),
гексакисоктаэдр (48-гранник).
Тетрагональная, или квадратная, сингония : три оси расположены взаимно
перпендикулярно; две из них имеют одинаковую длину и лежат в одной плоскости, третья
(главная ось) - длиннее или короче. Типичные формы кристаллов: квадратные призмы и
пирамиды, трапецоэдр и восьмигранные пирамиды, а также бипирамиды.
3.2 Самоцвет или драгоценный камень.
Эту группу камней отличает одна объединяющая их черта - особая красота.
Драгоценный камень - понятие, не имеющее единого определения. Самоцветами называли
лишь немногие камни. Ныне число их резко возросло и продолжает увеличиваться. В
большинстве своем это минералы, гораздо реже - минеральные агрегаты (горные породы).
К драгоценным камням относят также некоторые материалы органического
происхождения: янтарь, кораллы, жемчуг. Даже ископаемые органические остатки
(окаменелости) используются в качестве украшений. По своему назначению к драгоценным
камням близок ряд других ювелирных материалов: дерево, кость, стекло и металл.
Воспроизведение природных самоцветов путем синтеза, а также искусственное получение
камней, не имеющих аналогов в природе, еще больше расширило многообразие
драгоценных камней.
8
Поделочный камень. Это собирательный термин, который относится ко всем камням,
используемым как в качестве украшения, так и для производства камнерезных изделий.
Иногда поделочными называют менее ценные или непрозрачные камни. На практике его
часто применяют просто как синоним термина «драгоценный камень», ибо нет
убедительных оснований для четкого разграничения «ювелирных» и «прочих» камней.
Принято различать ювелирные (драгоценные) камни, применяющиеся в ювелирных
изделиях, и поделочные камни, предназначенные для производства камнерезных изделий
(шкатулок, пепельниц и т. п.), а также промежуточную группу ювелирно-поделочных
камней.
Ювелирное изделие. Это украшение, состоящее из одного или нескольких драгоценных
камней, оправленных в благородный металл. Иногда ювелирными изделиями называют и
шлифованные драгоценные камни без оправы, а также украшения из драгоценных металлов
без камней.
Самоцветы известны человеку уже не менее семи тысячелетий. Первыми из них были
аметист, горный хрусталь, янтарь, гранат, нефрит, яшма, кораллы, лазурит, жемчуг,
серпентин, изумруд и бирюза.Эти камни долгое время оставались доступными лишь
представителям привилегированных классов и не только служили украшениями, но и
символизировали общественный статус их владельцев. Княжеские регалии, усеянные
драгоценными камнями, свидетельствовали о богатстве и могуществе феодалов. Поныне в
различных сокровищницах и музеях мы любуемся великолепными драгоценностями былых
эпох.
В наши дни находятся люди, которые надевают оправленный в золото или платину
драгоценный камень, чтобы продемонстрировать свою состоятельность, но чаще
ювелирные украшения служат нашему собственному удовольствию, доставляя радость
своей красотой и гармонией.
Даже сегодня мы приобретаем тот или иной самоцвет, испытывая к нему какую-то
непонятную симпатию или склонность. Неудивительно, что в прежние, менее
просвещенные времена драгоценным камням приписывалась таинственная сила.
Самоцветы служили амулетами и талисманами, якобы защищавшими от враждебных сил
их обладателя и приносившими ему счастье. Одни камни оберегали от зла, другие
сохраняли здоровье, служили противоядием, спасали от чумы, вызывали милость владык
или способствовали благополучному возвращению из плавания.
Вплоть до начала XIX в. драгоценные камни использовали даже в лечебных целях. В
одних случаях считалось достаточным иметь определенный камень, в других - его
накладывали на больное место, в третьих - толкли в порошок и принимали внутрь.
Старинные лечебники содержат «точные» сведения, какой камень может помочь от той или
иной болезни. Лечение драгоценными камнями получило название литотерапии. Порой оно
приносило успех, однако его следует приписывать не самому камню, а психологическому
внушению, оказавшему благотворное действие на больного. Неудачи в лечении
объяснялись тем, что камень оказался «не настоящим». В Японии и сегодня в медицинских
целях продаются таблетки из истолченных в порошок жемчужин, (то есть в основном из
углекислого кальция).
Прямым следствием бытовавшего представления о сверхъестественных силах,
присущих драгоценным камням, явилась их связь с астрологией: их «приписали» к
зодиакальным созвездиям. Отсюда возникли «счастливые» камни дней рождения, то есть
самоцветы, которые надлежало носить людям, рожденным под тем или иным знаком
Зодиака. Эти камни должны всегда сопутствовать своим владельцам, якобы защищая их от
всякого рода напастей. Впоследствии такие самоцветы стали «счастливыми» камнями
месяцев. Равным образом существуют камни, которые связывают с Солнцем, Луной и
планетами нашей Солнечной системы. С течением времени «приписка» драгоценных
9
камней неоднократно менялась. Совсем недавно некоторые страны избрали себе в качестве
государственного символа драгоценный камень, добываемый на их территории.
В современных религиях драгоценным камням отведено определенное место. Так,
четырьмя рядами драгоценных камней украшен нагрудник иудейского первосвященника.
Подобные камни сверкают на тиарах и митрах папы и епископов христианской церкви, а
также на ковчегах, дароносицах, раках и окладах икон.
Но зачастую самоцветы рассматриваются исключительно как помещение капитала. И
действительно, высокая стоимость драгоценных камней, заключенная в столь малую
форму, доказала свою стабильность во всех экономических бурях последних десятилетий.
3.3 Спайность и излом
Многие минералы раскалываются или расщепляются по ровным плоским поверхностям.
Это свойство минералов называется спайностью и зависит от строения их кристаллической
решетки, от сил сцепления между атомами. Различают спайность весьма совершенную
(эвклаз), совершенную (топаз) и несовершенную (гранат). У целого ряда драгоценных и
поделочных камней (например, у кварца) она вообще отсутствует. Отдельностью
называется способность кристалла раскалываться в определенных участках по параллельно
ориентированным поверхностям.
Наличие спайности необходимо учитывать при шлифовке и огранке камней, а также при
вставке их в оправу. Сильное механическое воздействие может вызвать раскол (трещину)
по спайности. Часто для этого бывает достаточно легкого удара или чрезмерного
надавливания при определении твердости.(См. Приложение № 7) Термические напряжения,
возникающие в процессе ювелирной газоплазменной пайки, могут приводить к
образованию в камне трещин спайности, а это не только снижает ценность камня, но и
чревато опасностью того, что он в дальнейшем и вовсе расколется по возникшим
трещинам. Огранка фасетами драгоценного камня с весьма совершенной спайностью
(например, эвклаза) требует большого искусства.
Спайность использовалась для аккуратного расчленения крупных камней на части или
для отделения дефектных участков. Самый большой из когда-либо найденных алмазов
ювелирного качества «Куллинан» (3106 кар) был в 1908 г. расколот по спайности на три
крупных куска и множество мелких частей. Теперь подобные операции выполняются
преимущественно путем распиловки, что позволяет лучше использовать форму камня, а
также избежать нежелательных трещин и расколов.
Форму поверхности фрагментов, на которые распадается минерал при ударе, называют
изломом. Он бывает раковистым (похожим на отпечаток раковины), неровным, занозистым,
волокнистым, ступенчатым, ровным, землистым и пр. Иногда излом может служить
диагностическим признаком, позволяющим различать сходные по внешнему облику
минералы. Раковистый излом типичен, например, для всех разновидностей кварца и для
имитаций драгоценных камней из стекла.
3.4 Плотность
Плотностью (прежде ее именовали удельным весом) называется отношение массы
вещества к массе того же объема воды. Следовательно, камень, имеющий плотность 2,6, во
столько же раз тяжелее равного объема воды.
Плотность драгоценных камней колеблется от 1 до 7. Камни с плотностью ниже 2
кажутся нам легкими (янтарь 1,1), от 2 до 4 - нормальной тяжести (кварц 2,65), и выше 5 тяжелыми (касситерит 7,0). Наиболее дорогие драгоценные камни, такие, как алмаз, рубин,
сапфир, имеют более высокую плотность, чем главные породообразующие минералы,
прежде всего кварц и полевой шпат. Благодаря этому в текучих водах они отлагаются
раньше кварцевых песков и накапливаются в так называемых россыпных месторождениях.
10
Определение плотности драгоценных камней может очень помочь коллекционеру при
их идентификации.
Плотность определяют двумя методами (См. Приложение №8): методом
гидростатического взвешивания и методом погружения в тяжелые жидкости. Первый из
них хотя и отнимает много времени, но не требует больших затрат. Что же касается второго
метода, то он довольно сложен, а подчас и дорог, но зато позволяет быстро провести
надежное сравнение по плотности крупных партий незнакомых камней.
Метод гидростатического взвешивания основан на законе Архимеда; путем погружения
неизвестного камня в воду определяется его объем, а плотность затем рассчитывается по
простой формуле: Плотность камня = Масса камня : Объём камня
Гидростатические весы каждый может смастерить собственными силами. Достаточно
приспособить для этого аптекарские рычажные весы. Испытуемый объект взвешивается
сначала в воздухе, а затем в воде; разность полученных значений соответствует массе
вытесненной воды и тем самым в числовом выражении - объему камня.
3.5 Меры массы драгоценных камней
Карат - единица массы, бытующая в торговле драгоценными камнями и в ювелирном
деле с античных времен. Не исключено, что само слово «карат» происходит от местного
названия (kuara) африканского кораллового дерева, семена которого использовались для
взвешивания золотого песка, но более вероятно, что оно ведет начало от греческого
названия (keration) широко распространенного в Средиземноморье рожкового дерева,
плоды которого изначально служили «гирьками» при взвешивании драгоценных камней
(масса одной такой гирьки в среднем примерно равна карату). В 1907 г. Международным
комитетом мер и весов на конференции в Париже был введен метрический карат, равный
200 мг, или 0,2 г. До того масса карата, принятого в крупнейших центрах мировой торговли
драгоценными камнями, несколько различалась. Отсюда расхождения в массе
исторических алмазов, встречающиеся в литературе. Сокращенное обозначение карата кар. Доли карата выражают в виде простых (например, 1/16 кар) или десятичных (с
точностью до второго знака после запятой, например 1,25 кар) дробей. При взвешивании
самых мелких алмазов используется также единица массы, называемая «пункт» (англ. point)
и равная 0,01 карата. На помещенном здесь рисунке представлены в натуральную величину
точные размеры бриллиантов с современной огранкой и соответствующие им значения
массы в каратах; из него видно, как соотносятся поперечник бриллианта и его масса.
Разумеется, для камней, имеющих другую плотность и другие формы огранки, эти
соотношения будут иными. Не следует путать карат как единицу массы драгоценных
камней с каратом как мерой чистоты (пробности) золота, употребляемой в ювелирном деле.
В этом втором случае карат служит не единицей массы, а мерой качества золотого сплава.
Чем больше число каратов, тем выше содержание чистого золота в ювелирном изделии, а
масса его может быть при этом какой угодно.
Грамм - единица массы, используемая в торговле ювелирными камнями для менее
дорогих камней, и особенно для необработанного камнецветного сырья (например, группы
кварца).
Гран [от лат. granum - зерно (пшеницы)] - мера массы жемчуга. Соответствует 0,05 г, то
есть 0,25 кар. Сейчас гран все более вытесняется каратом. Употребляемая прежде в
торговле жемчугом японская мера массы «момма» (=3,75 г= 18,75 кар) теперь в
европейской торговле практически не используется.
Цена. В торговле драгоценными камнями обычно указывается цена за 1 карат. Чтобы
вычислить полную стоимость камня, надо перемножить цену и его массу в каратах. При
продаже камня конечному потребителю обычно называется полная цена. Стоимость одного
карата прогрессивно возрастает с увеличением размеров и массы камней.
11
4.Оптические свойства драгоценных камней
В ряду физических свойств драгоценных камней оптические свойства играют
главенствующую роль, определяя их цвет и блеск, сверкание («огонь») и люминесценцию,
астеризм, иризацию и прочие световые эффекты. При испытании и идентификации
драгоценных камней также все большее место отводится оптическим явлениям.
4.1 Цвет
Цвет - первое, что бросается в глаза при взгляде на всякий драгоценный камень. Однако
для большинства камней их цвет не может служить диагностическим признаком, так как
многие из них окрашены одинаково, а некоторые выступают в нескольких цветовых
обличиях.
Причиной различных окрасок является свет, то есть электромагнитные колебания,
лежащие в определенном интервале длин волн. Человеческий глаз воспринимает только
волны так называемого оптического диапазона - примерно от 400 до 700 нм. Эта область
видимого света подразделяется на 7 главных частей, каждая из которых соответствует
определенному цвету спектра: красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому,
синему, фиолетовому. При смешении всех спектральных цветов получается белый цвет.
Если, однако, какой-либо интервал длин волн абсорбируется («поглощается»), из смеси
остальных цветов возникает определенная - уже не белая - окраска. Камень, пропускающий
все длины волн оптического диапазона, кажется бесцветным; если же, напротив, весь свет
поглощается, то камень приобретает самую темную из видимых окрасок - черную. При
частичном поглощении света по всему видимому диапазону волн камень выглядит мутнобелым или серым. Но если, наоборот, абсорбируются только вполне определенные длины
волн, то камень приобретает окраску, соответствующую смешению оставшихся
непоглощенными частей спектра белого света. Главными носителями цвета - хромофорами,
обусловливающими окраску драгоценных камней, - являются ионы тяжелых металлов:
железа, кобальта, никеля, марганца, меди, хрома, ванадия и титана, способные
абсорбировать определенные длины волн в видимой области.
Окраска циркона и некоторых других минералов вызывается не ионами-хромофорами, а
деформациями кристаллической решетки, точнее, возникновением в ней радиационных
дефектов под воздействием радиоактивного излучения, что вызывает селективное
(избирательное) поглощение света.
На поглощение света и тем самым на окраску кристалла влияет также длина пути,
проходимого в нем световыми лучами. Соответственно при шлифовке необходимо
стремиться использовать это обстоятельство к максимальной выгоде для камня.
Светлоокрашенные камни шлифуются более толстыми, а при огранке фасеты наносятся с
таким расчетом, чтобы удлинить путь прохождения лучей сквозь камень, то есть усилить
абсорбцию. Слишком темные камни, наоборот, следует шлифовать потоньше, чтобы
несколько высветлить их. К примеру, темно-красный гранат-альмандин при шлифовке
кабошоном высверливают с нижней стороны, чтобы сделать полым.
Цвет драгоценных камней зависит также от освещения, поскольку спектры
искусственного (электрического) и дневного (солнечного) света различны. Существуют
камни, на окраску которых искусственный свет оказывает неблагоприятное влияние
(сапфир), и такие, которые при вечернем (искусственном) свете только выигрывают,
усиливая свое сияние (рубин, изумруд). Но резче всего перемена цвета выражена у
александрита: днем он выглядит зеленым, вечером - красным.
4.2 Светопреломление
Нам не раз приходилось видеть, что палка, под острым углом не до конца погруженная
в воду, как бы «переламывается» у водной поверхности. Нижняя часть палки, находящаяся
12
в воде, приобретает иной наклон, чем верхняя, находящаяся в воздухе. Это происходит
вследствие преломления света, всегда проявляющегося при переходе светового луча из
одной среды в другую, то есть на границе двух веществ, если луч направлен косо к
поверхности их раздела.
Величина светопреломления всех кристаллов драгоценных камней одного и того же
минерального вида постоянна (иногда она слегка колеблется, но в пределах весьма узкого
интервала). Поэтому числовое выражение этой величины - показатель преломления (часто
называемый просто преломлением или светопреломлением) - используется для
диагностики драгоценных камней. Показатель преломления определяется как отношение
скоростей света в воздухе и в кристалле. Дело в том, что отклонение светового луча в
кристалле вызывается именно уменьшением скорости распространения этого луча в
оптически более плотной среде.
В алмазе свет распространяется в 2,4 раза медленнее, чем в воздухе. Показатели
преломления драгоценных камней находятся в интервале 1,2-2,6. В зависимости от цвета и
месторождения драгоценного камня его преломление может несколько варьировать.
Двупреломляющие камни имеют два или даже три показателя светопреломления.
Измерение показателей преломления на практике производится с помощью рефрактометра.
Их значения непосредственно считываются со шкалы прибора..
Без больших технических трудностей и затрат можно измерять светопреломление
иммерсионным методом - погружая камень в жидкости с известным показателем
преломления и наблюдая границы раздела. Насколько светлыми и резкими кажутся
контуры камня или ребра между фасетами, а также по видимой ширине границ раздела
можно довольно точно оценивать показатель преломления драгоценного камня.
4.3 Дисперсия
При прохождении сквозь кристалл белый свет не только испытывает преломление, но и
разлагается на спектральные цвета, так как показатели светопреломления кристаллических
веществ зависят (притом в разной степени) от длины волны падающего света. А поскольку
отдельным цветам спектра белого света соответствуют разные длины волн, то они
преломляются неодинаково, как показано на рисунке. Скажем, у алмаза показатель
преломления для красных лучей (длина волны 687 нм) составляет 2,407, для желтых (длина
волны 589 нм) - 2,417, для зеленых (длина волны 527 нм) - 2,427 и для фиолетовых (длина
волны 397 нм) - 2,465. Явление разложения белого света кристаллом на все цвета радуги
называется дисперсией.
Дисперсия бывает хорошо заметна только у бесцветных камней. Природные и
синтетические камни с высокой дисперсией (например, фабулит, рутил, сфалерит, титанит,
циркон) используются в ювелирном деле как заменители алмаза. В качестве числовой меры
дисперсии драгоценных камней обычно принимается разность показателей преломления
для длин волн красной и фиолетовой частей спектра.
4.4 Поверхностные оптические эффекты:
световые фигуры и цветовые переливы
У многих ювелирных камней наблюдаются световые фигуры в виде определенным
образом ориентированных полосок света, а также цветовые переливы поверхности. Ни те,
ни другие не зависят, ни от собственной окраски камня или присутствия элементовпримесей, ни от его химического состава. Причины их появления кроются в явлениях
отражения, интерференции и дифракции световых волн.
Эффект «кошачьего глаза» присущ камням, представляющим собой агрегаты
параллельно сросшихся волокнистых или игольчатых индивидов либо содержащим тонкие
параллельно ориентированные полые каналы. Эффект возникает вследствие отражения
13
света на таких параллельных срастаниях (или каналах) и состоит в том, что при повороте
камня по нему пробегает узкая светлая полоска, вызывающая в памяти светящийся
щелевидный зрачок кошки. Наибольшее впечатление от этого эффекта достигается, если
камень отшлифован в форме кабошона, притом так, что плоское основание кабошона
располагается параллельно волокнистой структуре камня. Самым ценным считается
хризоберилловый кошачий глаз, его и называют просто кошачьим глазом. Но аналогичный
эффект встречается у очень многих ювелирных камней. Наибольшей известностью
пользуются кварцевый кошачий, соколиный и тигровый глаз. Все другие разновидности
кошачьего глаза, кроме хризобериллового, требуют более точного минералогического
определения («кварцевый» и т. п.).
Астеризм (от лат. astrum - созвездие) - появление на поверхности камня световых фигур
в виде светлых полосок, пересекающихся в одной точке и напоминающих звездные лучи;
число этих лучей и угол их пересечения определяются симметрией кристаллов. По своей
природе он аналогичен эффекту кошачьего глаза с той лишь разницей, что отражающие
включения - тонкие волокна, иголочки или канальцы - имеют в разных участках различную
ориентировку. Большое впечатление производят шестилучевые звезды у кабошонов рубина
и сапфира. У других камней встречаются также четырех- и в единичных случаях
двенадцатилучевые звезды. У розового кварца, отшлифованного в форме шара, лучи
проходят кругами по всей поверхности. Если закономерное расположение игольчатых
включений оказывается частично нарушенным, то возникают недоразвитые звезды,
имеющие облик круговых шкал с черточками-делениями или ярких светлых точек «световых узелков». Звездчатые камни называют астериями. Астеризм создают и у
синтетических ювелирных камней.
Адулярисценция - голубовато-белое мерцающее сияние лунного камня, драгоценной
разновидности адуляра (отсюда название эффекта). При движении кабошона из лунного
камня это сияние, или отлив, скользит по его поверхности. Эффект объясняется
интерференцией света на тонких параллельных пластинках ортоклаза и альбита
(криптопертита), из которых построен лунный камень.
Авантюрисценция - пестрая цветовая игра блестящих, искрящихся отражений света от
чешуйчатых включений на, большей частью, непрозрачном фоне (в непрозрачных камнях).
В авантюриновом полевом шпате, или солнечном камне, блестящие чешуйки принадлежат
гематиту или гетиту, в авантюриновом кварце это чешуйки хромсодержащей слюдки
(фуксита) или гематита, в искусственном авантюриновом стекле - стружки меди.
Иризация (от лат. iris - радуга) - радужная цветовая игра некоторых ювелирных камней,
результат разложения белого цвета, преломляющегося на мелких разрывах и трещинках в
камне, на спектральные цвета. У горного хрусталя этот эффект усиливается или даже
вызывается искусственно путем создания трещинок в камне, так как иризация повышает
его ценность.
14
5. Жидкие кристаллы
5.1 Понятие «жидкий кристалл»
Всё чаще мы стали встречаться с термином “жидкие кристаллы”. Мы все часто с ними
общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные
приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи,
мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с таким парадоксальным названием
“жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше
время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный
интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект
представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями
их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение
жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.
5.2. Классификация жидких кристаллов и их физические свойства
В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и
никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в
технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу
после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
Противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам
весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических
веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно
различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других
вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры
резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие
кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Внешний вид образцов
различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем
различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны
образования, похожие на нити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный
рельеф, а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев.
Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов
принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил
разделить все жидкие кристаллы на три большие группы (См. приложение №9).
Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую
смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная
фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его,
Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение
между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали
уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов - смекатические. Для
смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы
размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду
“равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и
в шеренгах - на нематических. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из
того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав,
например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться
“произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих
15
элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не
менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.
Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено
смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится
“односторонней”, а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются.
Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным
и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин.
Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность
молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их
вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем
для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры
образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже
шарообразные структуры.
В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены,
физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет
свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов
образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках.
Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом
взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой.
Именно
взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко
управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную
технику.
16
6. Области применения жидких кристаллов
6.1 TFT- технологии (См. приложение №10)
Плоскопанельные TFT-дисплеи имеют два существенных недостатка по сравнению с
обычными ЭЛТ-мониторами:
(1) Если посмотреть на TFT-дисплей со стороны, под некоторым углом, то можно явно
заметить существенную потерю яркости и характерное изменение цветов дисплея. Более
старые модели плоскопанельных дисплеев в основном имеют угол зрения, равный 90°, т.е.
45° с каждой стороны. Если на экран смотрит только один человек, проблем не возникает.
Но как только появляется второй пользователь, например, ваш друг, которому вы хотите
показать что-либо на экране, или второй игрок в компьютерной игре - вам не придётся
долго ждать замечаний по поводу плохого качества дисплея.
Быстрые изменения изображения на экране, которые часто имеют место при
воспроизведении видеороликов или в играх, требуют такой производительности, которая
оказывается слишком большой для жидкокристаллических технологий, используемых на
сегодняшний день. Существенное время реакции пиксела приводит к искажениям и
появлению характерных полосок на изображении.
Производители плоскопанельных дисплеев предпочитают не почивать на лаврах своего
успеха, а продолжать исследования. Недавно на рынок были выпущены первые модели,
изготовленные с использованием новых прогрессивных технологий. Основные технологии
- это TN+Film, IPS (или "Super-TFT") и MVA, каждая из которых описана в данной статье
6.2 TN+Film- технологии (См. приложение №11)
С технической точки зрения решение TN+Film является наиболее простым для реализации.
Производители плоскопанельных дисплеев используют относительно старую технологию
TFT (Twisted Nematic). Специальная плёнка наносится на верхнюю поверхность панели,
при этом угол обзора по горизонтали увеличивается от 90° до 140°. Однако плохая
контрастность и низкое время реакции остаются неизменными. Метод TN+Film не является
наилучшим решением, но это несомненно самый дешёвый метод, т.к. при этом
производственный выход наиболее высок (примерно равен выходу обычных ЖК-дисплеев).
6.3 IPS (In-Plane Switching или Super-TFT)(См. Приложение №12)
IPS или 'In-Plane Switching' изначально была разработана фирмой Hitachi, однако такие
фирмы, как NEC и Nokia в настоящее время также используют данную технологию.
Различие по отношению к обычным ЖК-дисплеям (TN или TN+Film) состоит в том, что
молекулы жидких кристаллов выравниваются параллельно подложке.
Эта технология позволяет достичь прекрасных значений угла обзора - до 170°, примерно
таких же, как у ЭЛТ-мониторов. Однако эта технология также имеет недостаток: из-за
параллельного выравнивания жидких кристаллов электроды могут не разместиться на
стеклянных поверхностях, как в случае с ЖК-дисплеями с закрученными кристаллами.
Вместо этого они должны быть выполнены в виде гребёнки на нижней стеклянной
поверхности. Это в конце концов приводит к снижению контрастности и тогда требуется
более интенсивная подсветка для увеличения яркости до требуемого уровня. Время
реакции и контрастность вряд ли могут быть увеличены по сравнению с обычными TFTдисплеями.
6.4 MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (См. Приложение №13)
Технология MVA позволяет достичь углов зрения до 160° - достаточно хороший
показатель - а также высоких значений контрастности и малого времени реакции пиксела.
Буква M в MVA означает "Мulti-domains" - "многодоменный". Домен - это совокупность
молекул. На рис.3 показано несколько доменов, которые формируются при помощи
17
электродов. Компания Fujitsu в настоящее время производит дисплеи, в которых каждая
цветовая ячейка содержит до четырёх доменов.
VA означают "Vertical Alignment"-"Вертикальное Выравнивание" - это термин, который
немного неверен, т.к. молекулы жидких кристаллов (в статическом состоянии) не
полностью вертикально выравнены из-за наличия бугоркообразных электродов. При
приложении напряжения и образования электрического поля кристаллы выравниваются по
горизонтали, и свет от подсветки при этом может проходить сквозь различные слои.
Технология MVA позволяет достичь более малых значений времени реакции, чем
технологии IPS и TN+Film, что является важным фактором для воспроизведения
видеоизображений и игр. Контрастность обычно получается лучше, однако она может
несколько меняться в зависимости от угла зрения.
6.5 Сравнение различных технологий улучшения угла обзора
Технология MVA обеспечивает улучшенное время реакции и хорошие значения угла
обзора
Решение TN+Film не обеспечивает значительных улучшений такого показателя как
время реакции пиксела. При этом такие системы недороги, позволяют обеспечить
достаточный производственный уровень и увеличить угол обзора до приемлемых значений.
Доля рынка таких дисплеев со временем должна уменьшиться.
IPS уже завоевали значительную долю рынка, т.к. их производят несколько компаний,
например Hitachi и NEC, которые поддерживают данную технологию. Решающими
факторами успеха этих дисплеев является высокое значение угла зрения (до 170°) и
приемлемое время реакции.
С технической точки зрения, технология MVA является наилучшим решением. Углы
зрения до 160° - это почти такой же хороший показатель, как у ЭЛТ-мониторов. Время
реакции, равное примерно 20 мс, также подходит и для воспроизведения видео. Доля рынка
таких дисплеев до сих пор мала, хотя она постепенно растёт.
18
7. Технология выращивания кристаллов в домашних условиях(См. приложение №14)
Кристаллы выращивали в основном способом постепенного охлаждения насыщенного
раствора, так как это позволяет в более короткие сроки вырастить большие кристаллы
правильной формы.
Изготовили из проволоки каркасы, имеющие форму букв (или каких-либо других
фигур). Аккуратно обмотали проволочные каркасы шерстяными нитями. Сделали
затравку.(к шерстяной нити прикрепили кристаллики соли. Затем погрузили в раствор(
чтобы каркасы не касались дна и стенки банки, друг друга) , где происходят образование и
рост кристаллов на поверхности волокон нитки. Подготовка раствора. Стакан на 500мл
заполняли водой и нагревали на сетке до 35—40°С. Затем понемногу насыпали взятое
вещество, например медный купорос. (из расчета на 1 л воды 100 г вещества). Раствор все
время необходимо помешивать стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Когда вся
соль растворялась, добавляли еще, все время поддерживая ту же температуру. Если медный
купорос переставал растворяться, то растворение прекращали.
Насыщенный горячий раствор быстро отфильтровывали через вату во второй такой же
стакан в него погрузили каркас с затравкой.
Эту технологию мы применили для выращивания четырёх
кристаллов: медного
купороса, железного купороса, алюмокалиевых квасцов и поваренной соли. Наблюдали за
ростом каждый день. Изучив литературу, мы узнали, что вырастить монокристалл очень
сложно. Для этого нужно строго соблюдать все условия технологии, начиная со
специальной посуды, чистоты раствора и заканчивая соблюдением строжайшего
температурного режима. Но мы занимались экспериментальной работой в зимнее время,
раствор очень быстро остывал, поэтому поддерживать температуру постоянной не
удавалось. Также приходилось периодически подогревать содержимое и добавлять ещё
вещества в раствор. Все эти отклонения от технологии привели к тому, что кристаллы
выросли сросшимися т.е. у нас получились поликристаллы с ярко выраженными плоскими
гранями отдельных кристаллов.
19
8.Исследование физических свойств выращенного кристалла
8.1 Наблюдения за ростом кристалла медного купороса (См. Приложение №15)
Не меняя положение затравки, мы периодически измеряли размеры некоторых граней и
заметили следующее: грани изменяют свои размеры- растут, но форма их остаётся
неизменной, углы между соответственными гранями тоже остаются постоянными. Но,
возможно, эта закономерность характерна только данному кристаллу? Поэтому мы
вырастили два разных кристалла медного купороса, сравнили формы граней и измерили их
углы. Оказалось, что и для другого кристалла эта закономерность тоже справедлива. Это
даёт право говорить о том, что в различных кристаллах одного и того же вещества и форма
граней, и их взаимные расстояния, и их число могут изменяться, но углы при этом остаются
постоянными.
8.2 Исследование теплопроводности кристаллов (См. Приложение №16)
Не все физические свойства можно исследовать в домашних условиях. Мы постарались
исследовать самые крупные кристаллы на теплопроводность, т.е. как они проводят тепло.
Мы наносили каплю парафина на разные грани кристаллов и давали ей застыть. Затем
дотрагивались до этих граней хорошо прогретой спицей и наблюдали за формой таявшей
капельки парафина. В одних случаях форма была круглая, а в других вытянутая, а это
значит, что в первом случае тепло распространялось по всем направлениям одинаково, а во
втором – тепло распространялось в одних направлениях медленнее, а в других – быстрее и
форма проталинки была уже не круглой. Различна в разных направлениях
теплопроводность. Вдоль слоёв она больше, чем по нормали к слоям: тепло легче
передается в тех плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы.
20
9.Применение кристаллов в науке и технике
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их
трудно перечислить. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз.
Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.Благодаря своей
исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами
распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок
алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой
диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень. Колоссальное
значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных
инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для
камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют
твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно
резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали
двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными
резцами и сверлами.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней.
У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный
рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в
окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кровавокрасный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым
чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его
разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после
алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из
корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На
полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной
и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из
искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый
генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на
рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц.
Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл,
сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие
отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где
используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего
неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия
часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.
Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.
Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.
Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон — все это разновидности кварца. Мелкие
зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца
- это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного
кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Особенно удивительны
электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его
гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.В
21
наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в
основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария,
дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие.
Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и
передачи звука.
Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных
сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками
измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в
момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них
горячих газов.
Эдектрооптическая промышленность - это промышленность кристаллов, не имеющих
центра симметрии. Эта промышленность очень велика и разнообразна, на её заводах
выращивают и обрабатывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике,
акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.
В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.
Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными
игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все
кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют
свет, проходящий через пленку.
Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики
отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников,
которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от
заледеневшего снежного поля.
Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей,
которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера,
и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомобильных
фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поляроида так, чтобы их оптические
оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля,
"погасит его".
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые
кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным
применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми
кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле
радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту
приема.
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются
из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль
играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку.
Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы
заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на
наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную
энергию в электрическую.
Кристаллы используются также в некоторых мазерах для
усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы,
обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и
радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы
модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного
напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно
растёт.
22
10. Выводы проектно- исследовательской работы:
1.Все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются,
зависят от их строения – их пространственной решётки.
2.Драгоценные камни принадлежат миру минералов, т. е. выращены природой в недрах
Земли из растворов , расплавов или путём перекристаллизации. Химический состав таких
кристаллов выражается формулой. Отношение человека к драгоценным камням за многие
столетия претерпело изменения: от обожествления и применения в медицине до
демонстрации своей состоятельности или доставления эстетического удовольствия от
красоты и гармонии камня.
3.Наряду с твёрдотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие
кристаллы, а в скором будущем мы будем пользоваться приборами, построенными на
фотонных кристаллах.
4.Мы отобрали наиболее приемлемый способ для выращивания кристаллов в домашних
условиях и вырастили кристаллы медного и железного купороса, а также кристаллы
алюмокалиевых квасцов. По мере роста кристаллов проводили наблюдения.
23
11.Заключение
Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем
отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов,
обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в
технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими... Изучением многообразия кристаллов
занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические
вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы
представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных
кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются
весьма часто. Например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными
оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Мы знаем, что даже некоторые
части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка
нервов - это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы
кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен.Теперь
исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами
кристаллов
.Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят
же "кристальной души человек" о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая
светом, как алмаз … И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно
сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и
неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда
растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Но если
говорить совсем серьезно, сейчас пожалуй нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну
область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Медиков интересуют
среды, в которых происходит кристаллообразование почечных камней, а фармацевтов
таблетки – это спрессованные кристаллы. Усвоение, растворение таблеток зависит от того,
какими гранями покрыты эти микрокристаллики. Витамины, миелиновая оболочка нервов,
белки, и вирусы – это все кристаллы. И наши консультации приносили большое
удовлетворение, отвечая на возникающие вопросы….
Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти
свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру.
Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. А вот
выращивание искусственных кристаллов дело более позднее. Выращивание кристаллов
стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в
природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они
выросли и условия их роста. И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с
заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и
физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства.
Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Вот вопрос. Ну, например,
искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по
блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в
технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять
же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные
кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие
чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды,
температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. И это
уже целое искусство, творчество, мастерство – тут точные науки не помогут.
Тема «Кристаллы» актуальна, и если в неё вникать и вникать глубже, то она будет
интересна каждому, даст ответы на многие вопросы, а самое главное – безграничное
24
применение кристаллов. Кристаллы загадочны по своей сущности и настолько
неординарны, что в нашей работе мы рассказали лишь малую часть того, что известно о
кристаллах и их применении в настоящее время. Может быть, что кристаллическое
состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром
живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и
кристаллическим агрегатам!
25
Приложение 1
Кр
ис
та
лл
м
ед
и
(в
ви
де кристаллического скелета)
Бу
ля
ис
ку
сст
ве
нн
ог
о
ру
би
на
26
Приложение 2
Структуры поваренной
соли NaCl (a) и кальцита CaCO₃
27
Приложение 3
Кристаллы
представляют
собой
своеобразные кладки из молекулярных «кирпичиков»
(предположение французского кристаллографа Рене Жюст Гаюи).
28
Приложение 4
29
Приложение 5
(а)
(в)
Кристаллические решетки алмаза (а), графита (б) и
карбина (в).
30
Приложение 6
Кристаллические формы и сингонии драгоценных камней
31
Приложение 7
32
Приложение 8
(а)
(б)
Методы определения плотности: (а) основан на законе Архимеда:
путём погружения камня в воду; (б) камень помещают в тяжёлую
жидкость: раствор двойного иодида калия и ртути, раствор
формиата и таллия (весы Вестфеля).
33
Приложение 9
34
Приложение 10
35
Приложение 11
TN + Film технология
36
Приложение 12
IPS – технология
37
Приложение 13
MVA- технология
38
Приложение 14
39
Приложение 15
40
Приложение 16
41
42