Поликристаллы на кухне

На фото — кристалл карбамида, или мочевины, выращенный в домашних условиях. Розовый цвет ему придает краситель, без него кристалл получился бы белым. Кристалл вырос на основе из фильтровальной бумаги, вставленной в пластиковый поддон (один из прямоугольных кусочков основы виден на переднем плане). Также небольшие кристаллы образовались на самом поддоне. Кристалл хрупкий: одна из его «веточек» упала на поддон, когда ее нечаянно задели.

Слово «кристалл» знакомо нам со школы. На уроках физики школьникам демонстрируют макеты кристаллической решетки — обычно они напоминают куб, в узлах которого находятся шарниры. Однако кристалл с главного фото вообще не похож на куб, параллелепипед или что-то симметричное. В чем же дело? Может быть, это и не кристалл вовсе?

Возьмем лупу и рассмотрим соль или сахар. Мы увидим, что отдельные крупинки представляют собой тела, ограниченные плоскими, как бы шлифованными гранями, и углы между гранями у разных веществ разные. Такие естественные грани — признак, что перед нами вещество в кристаллическом состоянии.

Кристаллы сахара (сверху) и соли (снизу), снятые при помощи сканирующего электронного микроскопа. Фото с сайта technobyte.org

Вещество может быть представлено сплошным кристаллом, или монокристаллом. А иногда — множеством мелких, причудливо сросшихся между собой кристаллов, или поликристаллом. Например, крупинки сахарного песка являются монокристаллами. А кусок сахара-рафинада — уже поликристалл (правда, выращенный искусственно). Кристалл карбамида, который изображен на главном фото, — тоже поликристалл.

Выращенные в домашних условиях монокристаллы. Сверху — монокристалл из смеси хлорида натрия и хлорида калия; снизу — монокристалл медного купороса. Кадр из видео с сайта youtube.com

В поликристаллическом виде в природе встречаются куски металлов. Своей причудливой формой некоторые из этих поликристаллов уже больше напоминают розовый кристалл карбамида с главного фото.

Поликристаллы осмия, висмута (см. картинку дня Висмут), золота и платины (слева направо для каждого ряда). Фото с сайта en.wikipedia.org

Плоские грани — не единственный признак того, что перед нами кристалл. Еще один — анизотропия, зависимость некоторых (не обязательно всех) физических свойств от направления. К таким свойствам могут относиться теплопроводность, электропроводность, упругость или даже показатель преломления в веществе (этот случай описан в картинке дня Двойное лучепреломление). Скорость роста тоже зависит от направления, благодаря чему кристаллы имеют грани, а не вырастают в форме шара, симметрично со всех сторон. Еще один пример анизотропного свойства — это механическая прочность кристаллов. Например, кристаллы слюды более охотно раскалываются при ударе вдоль одной оси, чем вдоль другой. Конечно, есть и обычные, некристаллические тела, например кусок дерева, которые легко раскалываются вдоль волокон и с трудом — поперек. Однако кристалл — это полностью однородное тело, а дерево — нет.

Анизотропия в кристаллах возникает, потому что расстояния между атомами, силы связи между ними в различных направлениях различны. Она присуща только монокристаллам. У поликристаллов анизотропии нет: они состоят из хаотично ориентированных кристалликов, направления которых усредняются. Этим поликристаллы похожи на другой большой класс твердых тел — аморфные тела (стекло, резина, карамель и т. д.), в которых нет даже небольших областей с выделенным направлением.

Итак, поликристаллическое тело похоже на аморфное по своим свойствам. Из-за этого раньше считалось, что кристаллическое состояние в природе не распространено, а большинство веществ — аморфные. Однако позже выяснилось, что это не так. В начале XX века изобрели рентгеноструктурный анализ — метод исследования строения вещества при помощи рентгеновских лучей. Благодаря ему удалось показать, что кристаллов среди твердых тел подавляющее большинство. К кристаллам относятся большинство металлов, минералы, лед.

Вернемся к поликристаллу карбамида. Это вещество можно приобрести в магазине химических реактивов или удобрений. Чтобы вырастить кристалл, нужно подготовить насыщенный водный раствор карбамида: растворить 15 г карбамида в 15 мл горячей воды и остудить раствор, при желании можно добавить пищевой краситель. Далее нужно вылить раствор в пластиковый поддон, в котором вертикально укреплены кусочки фильтровальной бумаги. Раствор будет подниматься по капиллярам фильтровальной бумаги вверх благодаря капиллярному эффекту и испаряться на острых краях. Когда насыщенный раствор испаряется, он становится пересыщенным: излишки вещества не могут больше растворяться в растворителе. С испарением в растворе будут появляться маленькие кристаллики-зародыши (этот процесс называется нуклеацией). Если испарение идет очень быстро, то образуется много кристалликов. По мере роста они будут срастаться между собой и образовывать поликристалл. Время выращивания такого «деревца» зависит от скорости испарения и составляет примерно один день. Если капнуть в раствор конторский клей, который действует как скрепляющее вещество, то веточки кристалла перестанут ломаться под своим весом, а сам кристалл станет менее развесистым и более округлым.

Слева — основа для кристалла (розетка из фильтровальной бумаги) в пластиковом поддоне. Справа — кристалл карбамида, выросший на розетке. Фото с сайта ntfactory.ru

Выращивание монокристалла — это более долгий процесс, в зависимости от желаемого размера кристалла такой эксперимент может занять несколько недель или даже месяцев. Монокристалл получается из одного зародыша. Чтобы этот зародыш рос, а нуклеация (образование других зародышей) была подавлена, нужна низкая скорость испарения. Маленький зародыш-монокристалл, образовавшийся в растворе, берут в качестве затравки. Его подвешивают на нитке в растворе, чтобы он свободно рос во все стороны, а сосуд убирают подальше от солнечных лучей и накрывают, чтобы испарение замедлилось (см. видео). Подробнее про выращивание кристаллов дома можно прочитать в замечательном пособии от кристаллографа Элизабет Вуд (Elizabeth A. Wood).

Кристаллы могут образоваться не только из раствора, но и из газообразной фазы, минуя жидкую: кристалл растет из теплого невидимого пара, если пар встречается с более холодной, чем он сам, поверхностью. Вспомните иней на деревьях или морозные узоры на окне. Кристаллы также растут из расплава, если расплав охлаждается.

Нуклеация зависит не только от скорости испарения или остывания. Также она идет активнее, когда в веществе есть пылинки или примеси. Всем известно, что в нормальных условиях вода превращается в лед при 0° C, но если взять очень чистую воду, то она может не замерзнуть даже при более низкой температуре. Такая вода называется переохлажденной. Переохлажденную воду можно заставить кристаллизоваться от удара — образовавшиеся при ударе микроскопические пузырьки выступят в роли центров кристаллизации (см. видео).

Подробнее о кристаллах можно прочитать в замечательных научно-популярных книгах советского кристаллографа Марианны Петровны Шаскольской «Кристаллы» (скачать pdf) и «Очерки о свойствах кристаллов».

Фото Яны Савченко.

Яна Савченко