Лаборатория роста кристаллов
Из истории Научные задачи Прикладные задачи Партнеры Производство кристаллов Сотрудники лаборатории
Штатная численность лаборатории составляет около 50 человек, поскольку в состав подразделения входит опытное производство, включающее ростовой участок, участок оптико-механической обработки кристаллов, участок подготовки шихты и химобработки изделий, участок сборки сцинтиблоков, группу инженерно-технического обеспечения. Заведующий лабораторией – к.х.н. Шлегель Владимир Николаевич.
Из истории
Подразделение было выделено из лаборатории эпитаксиальных слоев в отдельную научно-технологическую группу, в которой сочетаются НИОКР и опытное производство кристаллов, в конце 1991 года. Этому предшествовал период интенсивного формирования тематики, начавшийся с того, что перед небольшим коллективом сотрудников академиком Ф.А. Кузнецовым была поставлена задача автоматизации процесса выращивания лазерных кристаллов двойных щелочно-редкоземельных молибдатов и вольфраматов низкоградиентным методом Чохральского.
Созданный А.А. Павлюком, низкоградиентный метод Чохральского являлся ключевой составляющей разработки, поскольку, используя традиционные подходы, не удавалось вырастить кристаллы этих соединений. Впервые соединения были синтезированы в лаборатории синтеза и роста монокристаллов РЗЭ и обладали рядом преимуществ по сравнению с известными лазерными материалами.
В составе лаборатории эпитаксиальных слоев сотрудники группы успешно участвовали в разработке и внедрении автоматизированных технологий выращивания лазерных и других функциональных кристаллов в отраслевые институты и на промышленные предприятия бывшего СССР – ГОИ им. С.И. Вавилова (Ленинград), НПО «Монокристаллреактив» (Харьков), Кироваканский химзавод, Красноярский завод цветных металлов и др.
Момент административного выделения подразделения совпал со временем распада СССР и началом рыночных реформ. После 1992 года производство кристаллов на промышленных предприятиях, где институт внедрил технологии роста кристаллов, было свернуто, причем некоторые предприятия оказались за пределами России.
Сохранить и далее развивать научно-технический потенциал в условиях резкого сокращения бюджетного и хоздоговорного финансирования удалось, организовав экспортно-ориентированное производство сцинтилляционных кристаллов германата висмута Bi4Ge3O12 (BGO). Кредитные ресурсы, необходимые для создания производственных мощностей, были получены благодаря поддержке Российским Фондом технологического развития (РФТР) проекта «Совершенствование технологии выращивания большеразмерных кристаллов германата висмута и создание на этой основе экспортно-ориентированного опытного производства сцинтилляционных элементов» с финансированием на возвратной основе. После успешного выполнения этого проекта в 1997-1998 гг. институт сумел занять достойное место на мировом рынке сцинтилляционных кристаллов.
Фундаментальные научные задачи
Фундаментальные исследования лаборатории, тесно связанные с решением прикладных задач, направлены, в первую очередь, на развитие научных основ процесса выращивания кристаллов из расплава разработанной в институте низкоградиентной модификацией метода Чохральского (LTG Cz – low thermal gradient Czochralski technique).
Направления фундаментальных исследований
- Изучение формообразования кристаллов смешанных оксидов и их морфологии в условиях низких градиентов температуры и доминирования послойного механизма роста; изучение макрорельефа поверхности и реальной структуры кристаллов.
- Изучение связи свойств и реальной структуры кристаллов с условиями роста, формообразованием, стехиометрией и с примесным составом.
- Моделирование тепло-массопереноса в условиях низкоградиентного метода; анализ динамики процесса выращивания, как объекта управления, получение необходимых для этого физико-химических констант.
Объекты
Сотрудниками лаборатории были детально изучены условия выращивания в низких градиентах ряда совершенных оксидных сцинтилляционных кристаллов – Bi4Ge3O12 (BGO), CdWO4, ZnWO4 ,а также других оксидных функциональных кристаллов, в частности, LiNbO3, Bi12GeO20, Bi12SiO20, Pb2MoO5 и т.
п.
В настоящее время основными объектами исследований являются кристаллы ZnMoO4, Li2MoO4, Na2Mo2O7, PbMoO4 и другие кристаллы, используемые в качестве рабочего тела в криогенных болометрах, применяемых в астрофизике частиц для поиска т.н. редких событий – двойного безнейтринного бета-распада и обнаружения гипотетических частиц WIMP. Для экспериментов в этой области требуются высокосовершенные изотопно-обогащенные сцинтилляционные кристаллы с низким уровнем радиоактивного фона. Первым шагом в этом направлении было выращивание в 2009 г. моноизотопного по кадмию кристалла 106CdWO4.) с уникальным (87%) коэффициентом использования ограниченного количества сырья (265 г), синтезированного ЗАО НеоХим. В последние годы были успешно выращены кристаллы Zn100MoO4 и Li2100MoO4 и др. для международных проектов LUMINEU, AMoRE‑II и CUPID‑Mo. На первой стадии этих работ использовался оксид 100Mo2O3; позднее в качестве исходного сырья служил металлический молибден, обогащенный изотопом 100Mo.
Прикладные задачи, решаемые и разрабатываемые лабораторией
- Разработка и модернизация ростового оборудования с автоматическим весовым контролем для выращивания кристаллов низкоградиентным методом Чохральского.
- Разработка технологии производства оксидных кристаллов, начиная от синтеза особочистых веществ– прекурсоров роста кристаллов (Bi2O3; WO3; MoO3 и др.), заканчивая обработкой кристаллов и рециклированием отходов изотопно-обогащенного сырья.
- Развитие методов контроля и системы управления качеством в производстве кристаллов и изделий на их основе.
Научные и производственные связи, партнеры
Подразделение тесно сотрудничает со следующими институтами и организациями:
- Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
- Институт теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН
- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
- ГП «Германий», Красноярск
Зарубежные связи
- Институт ядерных исследований НАН Украины
- Институт химии конденсированных сред, Бордо, Франция (Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux)
- Институт космической астрофизики, Орсей, Франция (Institut d’Astrophysique Spatiale)
- Центр ядерной спектрометрии и масс-спектрометрии, Орсей, Франция (Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse)
- Institute for Basic Science, Daejeon,Korea
.
Финишным продуктом производства являются сцинтилляционные элементы на основе кристаллов BGO, а также сцинтиблоки и детектирующие матрицы. Вес кристаллических буль BGO, выращиваемых методом LTG Cz на разработанных в ИНХ производственных установках НХ780, достигает 70 кг. Кристаллы, выращиваемые однократной кристаллизацией, имеют радиационную стойкость на уровне ~106 рад.
| Стадии производства элементов на основе кристаллов BGO | Производственная ростовая установка НХ780 |
Стабильная технология – результат многолетнего исследований и сотрудничества лаборатории с другими институтами СО РАН – ИЯФ, ИГиГ и ИАиЭ, а также с ФТИ РАН, начало которому было положено ещё в бывшем СССР. Поскольку радиационная стойкость зависит как от условий роста, так и от присутствия примесей на уровне долей ppm, ключевую роль в достижении стабильности играет организация в ИНХ синтеза исходного оксида висмута в и контроль всех стадий производства.
Среди зарубежных потребителей кристаллов BGO, производимых институтом, насчитывается более трех десятков научных организаций и фирм. В ряде случаев ИНХ СО РАН являлся единственным производителем, обеспечивающим требуемое экстремальное качество кристаллов для крупных физических проектов:
- Еще в 1999 г. 48 кристаллов BGO размером 20x90x(310-345) мм3 были изготовлены для вето-экрана спектрометра IBIS – одного из двух основных инструментов международной орбитальной астрофизической лаборатории INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory), созданной в рамках Европейского космического агентства. Выведенная на орбиту российской ракетой “Протон” в октябре 2002 года, эта лаборатория до сих пор играет важную роль в исследованиях ученых Европы, США и России.
- В 2013 году в Норильске успешно завершила полет запущенная в Швеции международная стратостатная станция POGoLite, целью которой являлось изучение поляризованного гамма-излучения вселенной.
- С марта 2015 в составе гамма-спектроскопа межпланетного зонда Dawn, запущенного NASA в 2007, кристалл BGO, выращенный в ИНХ, вращается вокруг карликовой планеты Церера.
- В 2009-2011 гг. в ИНХ было изготовлено 1260 клиновидных кристаллов 20-ти типоразмеров общим весом 1,8 тонны для 4πэлектромагнитного калориметра Отделения ядерной физики университета, Университета Тохоку, Сендай.
- В 2011-2013 гг. радиационно-стойкие кристаллы сложной формы изготовлены для рентгеновского космического телескопа ASTRO-H, разработанного Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA).
Российский рынок
Потребление кристаллов BGO в России постепенно нарастает, однако оно остается недостаточным, чтобы сделать его рентабельным, и именно экспортная основа создала возможность обеспечить высококачественными кристаллами отечественных приборостроителей.
Сотрудники
| Заведующий лабораторией | к.х.н. ШЛЕГЕЛЬ Владимир Николаевич |
59-69 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | ||
| Материально-ответственн. | ШЛЕГЕЛЬ |
59-63 | 330-72-30 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | ||
| АТОРИН Владимир Михайлович |
55-29 | 333-15-46 | 148(всп. ) |
|||
| БЕЛЫХ Николай Тимофеевич |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| БЕРЕЗНЯК Оксана Леонидовна |
55-38 | 330-34-88 | 141(всп.) | |||
| БОРОВЛЁВ Юрий Алексеевич |
55-18 59-65 55-34 |
333-15-46 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
137(всп.) 125(I) 123(I) |
|||
| БРАГИН Роман Игоревич |
55-18 | 333-15-46 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
137(всп.) | |||
| БУРДУКОВА Марина Викторовна |
57-72 | 333-15-46 | 149(всп.) | |||
| к.х.н. ВАСИЛЬЕВ Ян Владимирович |
59-66 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | |||
| ВЕЙТ Роберт Эмануэлович |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| ВОРОНИНА Галина Семёновна |
53-53 59-74 |
333-15-46 |
140(всп. |
|||
| ГРИГОРЬЕВА Вероника Дмитриевна |
59-98 | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. | 119(I) | |||
| ДЕНИСОВА Татьяна Николаевна |
55-81 53-23 |
330-34-88 330-66-46 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
228(II) 216(II) |
|||
| ЖДАНКОВ Василий Николаевич |
53-79 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.  |
240(всп.) | |||
| ЖИРАКОВСКИЙВладимир Юрьевич | 55-96 | 248а (всп.) | ||||
| ЗАЙКОВА Марина Евгеньевна |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| КАРНАКОВ Игорь Владимирович |
59-69 | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. | 241(всп.) | |||
| КАСИМКИН Павел Викторович |
53-79 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
240(всп.) | |||
| КИМСТАЧ Денис Викторович |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| КОВАЛЁВА Алла Николаевна |
53-53 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
140(всп.) | |||
| КОСТОМАРОВ Анатолий Николаевич | 54-79 | 330-34-88 | 146(всп) | |||
| КОЛЕСНИКОВ Алексей Юрьевич | 55-29 | 333-15-46 | 148(всп) | |||
| КУЗНЕЦОВ Геннадий Николаевич |
57-72 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
149(всп.) | |||
| КУРОЕДОВ Александр Васильевич |
59-65 | 333-15-46 | 125(I) | |||
| КУРУСЬ Алексей Федорович |
57-79 55-34 |
122(I) 123(I) |
||||
| ЛОЗОВОЙ Сергей Алексеевич |
55-18 59-65 |
333-15-46 | 125(I), 37(I) |
|||
| к.т.н. МАКАРОВ Евгений Павлович |
55-81 55-34 |
330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
228(II) 123(I) |
|||
| МАТАХИН Алексей Васильевич | 55-96 | 333-15-46 | 248а(всп.) 250(всп.) |
|||
| МОСКОВСКИХ Виталий Анатольевич |
55-34 59-66 |
123(I) 241(всп.) |
||||
| НАСОНОВ Сергей Георгиевич |
55-18 | 333-15-46 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
137(всп.) | |||
| к.х.н. НОВОСЁЛОВ Игорь Иванович |
59-42 59-47 |
336-63-29 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
165(2Б) 147(2Б) |
|||
| к.х.н. НИКОЛАЕВ Руслан Евгеньевич | 59-98 | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. | 119(I) | |||
| ОСТРЕЦОВА Елена Олеговна |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| ПОСТУПАЕВА Анна Геннадьевна |
57-85 55-38 |
330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) 141(всп.) |
|||
| ПРОТАСОВ Эдуард Николаевич |
54-78 59-86 55-29 |
333-15-46 | 142(всп. )150(всп.) 148(всп.) |
|||
| ПУСТЯКОВА Галина Потаповна |
55-14 | 333-15-46 | 138(всп.) | |||
| РАМАЗАНОВА Татьяна Федоровна |
59-98 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
119(I) | |||
| РЫЛОВА Анна Викторовна |
55-38 | 330-34-88 | 141(всп.) | |||
| РЯБУХА Людмила Анатольевна | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | ||||
| САМЕЙЩЕВ Сергей Николаевич |
330-34-88 | 7(III) 6(III) |
||||
| СКОВОРОДКИНА Марина Васильевна |
55-38 | 330-34-88 | 141(всп.) | |||
| СТЕГНИЕНКО Георгий Иванович |
54-78 55-29 |
333-15-46 | 142(всп.) 148(всп.) |
|||
| СУСЛОВА Мария Степановна |
55-62 | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. | 118(I) | |||
| ТИМОШИНА Катерина Эрнестовна |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп. ) |
|||
| ТИТОВ Виктор Петрович | Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. | 241(всп.) | ||||
| ТЕЛЕШЕВ Алексей Владимирович | 59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
| ТКАЧЁВ Сергей Викторович |
57-80 57-79 |
330-34-88 | 1М 122(I) |
|||
| ТЮРИКОВА Татьяна Владимировна |
55-38 | 330-34-88 | 141(всп.) | |||
| ФЕДОТОВА Яна Сергеевна |
57-85 | 330-57-27 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов.  Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | |||
| ЦЫГАНОВА Юлия Владимировна |
59-63 | 330-72-30 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | |||
| ЧУБАРЕВ Александр Павлович |
59-66 | 330-34-88 Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. |
241(всп.) | |||
| ШУЛЕНКОВА Татьяна Юрьевна |
59-86 | 333-15-46 | 150(всп.) | |||
)
Фотоархив
Математики рассчитали, как вырастить кристаллы с заданными свойствами
30 января, 2020 11:25
Источник: Пресс-служба УрФУ
Группа исследователей лаборатории многомасштабного математического моделирования ИЕНиМ УрФУ расширила математическую модель для выращивания кристаллов.
В модели можно задавать параметры (к примеру, количество зародышей, их размер или то, как они будут распределяться в системе) и таким образом выращивать кристаллы заданной формы, размера и с необходимыми свойствами.
Это крайне полезно в решении прикладных задач: в биологии, промышленности, материаловедении. К примеру, для выращивания синтетических драгоценных камней или преобразователей света для установки управляемого термоядерного синтеза; для формирования требуемых свойств высокопрочных сталей. Кроме того, модель можно использовать в биомедицинских приложениях: например, при синтезе инсулина, гемоглобина или белков.
Исследование поддержал Российский научный фонд («Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений»; 18-19-00008).
Одни из последних результатов представлены в Physics Letters A.
«Формулы новые, они обобщают произвольные законы роста, произвольные частоты нуклеации, произвольное начальное распределение кристаллов в системе, — перечисляет руководитель гранта и лаборатории Дмитрий Александров. — Мы описали динамический процесс выращивания кристаллов в пересыщенных растворах. Нашли одну из главных характеристик процесса — функцию распределения частиц по размерам в зависимости от момента времени, что позволяет определить, сколько кристаллов конкретного размера существует в системе в каждый момент времени».
Рост кристаллов математики рассчитали для промежуточной стадии. Всего стадии три. Начальная — когда образуется большое количество жизнеспособных ядер небольших размеров, расположенных далеко друг от друга. Вторая — промежуточная стадия — это быстрый рост уже существующих частиц и зарождение новых; по сути, процесс роста кристалла.
Заключительная стадия наступает, когда ядра достигают макроскопических размеров, и процесс зарождения новых частиц останавливается; иными словами, кристаллы практически не растут.
«В кристаллизаторах — установках по выращиванию кристаллов — как правило, процесс протекает на промежуточной стадии. Берут раствор, добавляют туда примесь, кристаллики растут, забирая на себя пересыщение. Их отводят и затем снова добавляют примесь и так далее. Примерно так же растут кристаллы в пещерах, — рассказывает Дмитрий Александров. — При выращивании кристаллов в лабораторных условиях важно, чтобы гранулы кристалла формировались определенного размера и с заданными свойствами. Рассчитать это можно с помощью нашей модели».
В планах математиков — обобщить теорию нуклеации и роста кристаллов в бинарных расплавах, когда усложняется математическая модель процесса (дополнительно учитывается массоперенос растворенного в расплаве примесного компонента).
Кроме того, планируется сформулировать более сложную постановку задачи и разработать методы ее решения.
В группу исследователей входят сотрудники лаборатории многомасштабного математического моделирования и кафедры теоретической и математической физики ИЕНиМ УрФУ.
Теги
Инженерные науки
Растущие кристаллы | Центр нанотехнологий
Выращивание кристаллов Задайте себе вопрос…
Вы когда-нибудь задумывались, как выглядят атомы в окружающих вас материалах? Все ли они выстроены в аккуратные маленькие ряды или они сочетаются друг с другом в классном узоре? Как мы можем это узнать, если у нас нет сверхмощного микроскопа?
Один из способов узнать, как устроены атомы, — вырастить кристаллы из материала. Многие повседневные материалы, такие как сахар и соль, можно использовать для выращивания кристаллов. Кристаллы — это просто структура, в которой все атомы идеально расположены в атомном масштабе.
В масштабе, который мы видим, это превращается в очень плавные линии и уникальные формы. Например, если атомы выстраиваются в куб с прямыми столбцами и рядами (как каменная соль), в результате кристалл будет кубом с гладкими сторонами.
В этом упражнении вы будете выращивать несколько разных типов кристаллов, используя обычные материалы. Затем вы будете наблюдать за формой кристаллов и использовать их для представления того, как могут быть расположены атомы. Эта деятельность может занять до пары недель и идеально подходит для проекта научной ярмарки!
Материалы
- Дистиллированная вода
- Неглубокие миски или блюдца
- Кастрюля для кипячения воды
- Ложка для перемешивания
- 2 прозрачных стакана для питья
- Пищевой краситель (по желанию)
Материалы для кристаллов (все это вам не понадобится)
- Английская соль
- Соль поваренная (неионизированная)
- Квасцы (в отделе специй)
- Стиральная сода*
- Бура
*Стиральную соду можно найти в отделе прачечной некоторых продуктовых магазинов.
В национальных сетевых магазинах его обычно нет, но во многих местных магазинах он есть. Вы можете позвонить по телефону 1-800-524-1328 и узнать, в каких магазинах в вашем районе продается стиральная сода.
Безопасность
Будьте осторожны при кипячении воды. Деятельность Во-первых, вам нужно немного узнать об условиях выращивания кристаллов и о том, почему они растут. Это позволит вам внести свои собственные изменения в процесс, чтобы получить лучшие кристаллы. Изготовление всех кристаллов начинается с насыщенного раствора . Это просто раствор, который больше не может удерживать материал. Например, если вы делаете насыщенный раствор соленой воды, вы будете добавлять соль в воду до тех пор, пока она не перестанет растворяться. В конце концов соль начнет собираться на дне контейнера, потому что вода больше не может удерживать соль.
Кристаллы растут, когда раствор становится перенасыщенным , что означает, что в воде растворено слишком много соли.
Дополнительная соль (или другой материал) принимает форму кристаллов. Чтобы получить перенасыщенный раствор, вы можете либо охладить раствор, либо дать испариться части воды.
Для начала сделайте кристаллы английской соли. Их легко выращивать, и через пару часов вы начнете видеть кристаллы. Начните с одной чашки теплой дистиллированной воды (не кипяченой). Начните добавлять соли Эпсома по ложке и помешивая, пока они не растворятся. Продолжайте делать это до тех пор, пока соль Эпсома не растворится (вероятно, это будет около одной чашки). Дайте смеси постоять пару минут, пока вся нерастворенная соль не окажется на дне контейнера. Медленно вылейте раствор в неглубокую миску, но прекратите выливать, прежде чем доберетесь до нерастворившейся соли. Ставим миску в холодильник на 3 часа. Вы должны увидеть, как некоторые кристаллы начинают расти. На что они похожи? Какой они формы и цвета? Вы только что сделали кристаллы методом охлаждения.
Затем сделайте несколько кристаллов квасцов, используя метод выпаривания.
Опять же, с горячей дистиллированной водой. Начните с небольшого количества, от ¼ до ½ чашки будет нормально. Начните добавлять квасцы по ложке и помешивать, пока они не растворятся. Следуйте тому же методу, что и выше, чтобы сделать перенасыщенный раствор и слить раствор, оставив нерастворившиеся кристаллы. Используйте маленькое блюдце или тарелку, чтобы вырастить кристаллы. Это позволит получить максимальную площадь поверхности для того объема раствора, который у вас есть, увеличивая скорость испарения. Дать постоять (не в холодильнике) пару дней. Вы можете начать замечать образование мелких кристаллов примерно через час после охлаждения раствора, но если нет, не беспокойтесь! Вы увидите, как хрустальный сад начнет расти в течение дня. Осмотрите свои кристаллы. Какой они формы? Насколько велик ваш самый большой? Самый маленький? Через какое время образовались первые кристаллы?
Используйте метод выпаривания, используемый для изготовления кристаллов квасцов с поваренной солью, сахаром, стиральной содой и бурой.
Кристаллы, изображенные справа, представляют собой кристаллы поваренной соли. Иметь терпение! Некоторые материалы могут не образовывать кристаллы в течение пары дней или даже недели! Вы можете добавить в раствор пищевой краситель, если хотите получить разноцветные кристаллы. Используйте приведенную ниже таблицу (см. PDF), чтобы записать свои наблюдения.
Зная, что соль имеет кубическую атомную структуру (прямые ряды и столбцы) и видя образующиеся в результате кристаллы, можете ли вы, глядя на кристаллы, догадаться, какова атомная структура других веществ? Вырастив кристаллы и угадав, как могут выглядеть атомные структуры, отправляйтесь в Интернет и ищите их! Насколько вы были близки?
Расширение деятельности
Попробуйте использовать один из больших кристаллов из ваших садов кристаллов в качестве затравочного кристалла, чтобы вырастить один большой кристалл! Для этого выберите один из лучших кристаллов в своем саду. Например, если вы используете поваренную соль, выберите крупный и идеально квадратный кристалл.
Привяжите этот кристалл к концу нейлоновой нити или лески. Сделайте насыщенный раствор, как указано выше, и налейте его в высокий стакан для питья или стеклянную банку. Привяжите другой конец веревки к карандашу и положите карандаш на верхнюю часть стакана так, чтобы затравочный кристалл свисал с раствора. Подождите пару дней или недель. А
s раствор становится перенасыщенным, когда вода испаряется, лишние молекулы соли добавятся к существующему затравочному кристаллу, и он будет расти! Возможно, вам придется повторить этот процесс, если ваш кристалл перестанет расти, чтобы получить очень большие кристаллы!
Попробуйте поэкспериментировать с процессом для каждого материала. Что произойдет, если вы используете более горячую или более холодную воду? Получаются ли кристаллы большего или меньшего размера, если поставить вентилятор перед чашкой для выпаривания (ускоряющий испарение)? Какую еще переменную можно изменить? Записывайте всю свою работу.
Сводка
Чтобы вырастить кристаллы, вы должны начать с насыщенного раствора.
Когда раствор охлаждается или испаряется, он становится пересыщенным, что приводит к образованию кристаллов. По мере формирования кристаллов атомы имеют определенное расположение, в котором они будут располагаться. Глядя на более крупный кристалл, вы можете получить представление о том, как атомы расположены на атомном уровне. Используя затравочный кристалл, вы можете вырастить достаточно большие кристаллы, поскольку раствор становится перенасыщенным.
Девять прекрасных кристаллов, которые можно вырастить дома
В кристалле атомы и молекулы расположены в последовательном повторяющемся порядке. Примеры природных кристаллов включают аметисты и алмазы. Кристаллы имеют 219 возможных симметрий, называемых кристаллографическими пространственными группами , и они сгруппированы в 7 кристаллических систем.
К ним относятся: изометрические, где кристаллы образуют кубы или прямоугольные коробки, например, галит или соль, тетрагональные, орторомбические, моноклинные, триклинные, тригональные и гексагональные, где кристаллы образуют шестиугольники, например, обычный лед.
Вы можете выращивать кристаллы дома, используя продукты, которые уже есть на полке, такие как сахар, соль, квасцы, бура и английская соль. Выращивание кристаллов — отличное занятие для детей, а из самодельных кристаллов получаются отличные рождественские подарки, красивые украшения для елки и, в одном случае, вкусное сладкое лакомство.
СМ. ТАКЖЕ: КРИСТАЛЛЫ МОГУТ ВЫРАСТАТЬ ДО 3 ФУТОВ В ДЕНЬ В ОХЛАЖДАЮЩЕЙСЯ МАГМЕ, ГОВОРЯТ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Кристаллы сахара
Кристаллы сахара Источник: How To Cook That/YouTubeКристаллы сахара, также известные как леденцы, можно есть. Вы можете купить тростниковый сахар на Amazon, а также натуральную нить. Чтобы приготовить их дома, вам понадобятся:
- 1 стакан воды
- 3 стакана сахара
- Стеклянная банка или мерный стакан
- Карандаш или нож для масла
- Хлопковая или шерстяная нить или пряжа
Используйте кастрюлю, чтобы вскипятить воду, затем добавьте сахар по одной чайной ложке за раз.
Продолжайте добавлять сахар, пока он не перестанет растворяться в воде и не начнет скапливаться на дне кастрюли. Это означает, что ваш сахарный раствор равен 9.0045 насыщенный .
Если вам нужны цветные кристаллы, добавьте несколько капель пищевого красителя, который вы можете купить на Amazon, где вы также можете найти термостойкие мерные чашки. Затем перелейте раствор в стеклянную банку, избегая попадания нерастворенного сахара.
Привяжите шнур к середине карандаша или ножа для масла, положите карандаш или нож на край банки и дайте шнуру свисать в воде как можно ближе ко дну, не касаясь ни дна, ни стенок банки. банка.
Накройте банку бумажным полотенцем и поставьте ее в безопасное место. Рост кристаллов должен начаться в течение дня, и вы можете позволить кристаллам расти до тех пор, пока они не станут такими большими, как вы хотите, или пока они не перестанут расти. Потяните за веревку, дайте кристаллам высохнуть и наслаждайтесь сладким лакомством.
2.
Кристаллы квасцов Кристаллы квасцов Источник: DmiShin/Github Квасцы — это специя, которую чаще всего добавляют в жидкость для маринования, чтобы маринады оставались хрустящими. Вы можете найти квасцы в отделе специй местного супермаркета или купить леску на Amazon. Чтобы вырастить кристаллы квасцов дома, вам понадобится:
- 1/2 стакана горячей водопроводной воды
- 2-1/2 столовые ложки квасцы
- Нейлоновая леска
- Карандаш или нож для масла
- Две стеклянные банки
Вы должны использовать нейлоновую леску, потому что кристаллы квасцов не прилипают к ней. Чтобы сделать кристаллы квасцов, налейте горячую воду из-под крана в одну из банок и добавляйте квасцы, пока они не перестанут растворяться. Оставьте банку в покое на ночь.
Самые популярные
На следующий день перелейте раствор квасцов из первой банки во вторую банку. Вы увидите, как начинают формироваться маленькие «зародышевые» кристаллы квасцов.
Привяжите нейлоновую леску к самому большому кристаллу или кристаллу наилучшей формы, а другой конец привяжите к середине карандаша или ножа для масла. Позвольте леске болтаться в банке, убедившись, что затравочный кристалл полностью покрыт раствором.
Накройте банку бумажным полотенцем и оставьте в покое. Если вы будете терпеливы, вы можете получить кристаллы квасцов поразительных размеров.
3. Кристаллы буры
Кристаллы буры Источник: Interest EngineeringБура — это порошок, который обычно добавляют вместе с моющими средствами для стирки, чтобы сделать одежду белее. Вы можете найти его в местном продуктовом магазине в отделе моющих средств или купить на Amazon. Вы также можете купить ершики для труб на Amazon.
Для изготовления кристаллов буры вам понадобится:
- Кипяток
- Бура
- Очистители труб
- Резьба
- Карандаш или нож для масла
- Стеклянная банка
Чтобы вырастить кристаллы буры, скрутите несколько ершиков в компактную форму, например, в спираль.
Привяжите нитку к каждому очистителю для труб, затем привяжите другой конец нити к середине карандаша или ножа для масла.
Налейте кипяток в банку, затем добавьте 3 9от 0047 до 4 столовые ложки буры на каждые 1 стакан воды. Продолжайте помешивать, пока вода не станет прозрачной, а на дне банки не появится небольшая кучка буры.
Сбалансируйте карандаш или нож для масла вдоль края банки и дайте ершикам свисать близко ко дну банки, не касаясь ни дна, ни стенок банки.
Накройте банку бумажным полотенцем и поставьте в безопасное место. На следующий день снимите ершики и дайте им высохнуть на бумажном полотенце. Хотя кристаллы буры прозрачны, они будут казаться окрашенными из-за того, что сквозь них просвечиваются цвета чистящих средств для труб.
4. Кристаллы соли
Кристаллы соли Источник: Mineral photos/Wikimedia Commons Если вы посмотрите на крупинки поваренной соли под микроскопом, вы увидите, что каждый кристалл на самом деле представляет собой крошечный кубик.
Для выращивания соли (или хлорида натрия кристаллов) вам понадобятся:
- Поваренная соль (лучше всего подойдет нейодированная)
- Кипяток (лучше всего подходит дистиллированная вода)
- Кастрюля
- Стеклянная банка
- Строка
- Карандаш или нож для масла
В кастрюле размешайте соль в кипящей воде, пока она не перестанет растворяться и на дне кастрюли не появятся излишки. Налейте раствор в стеклянную банку, следя за тем, чтобы внутрь не попала нерастворенная соль.
Подвесьте веревку к карандашу или ножу для масла и дайте ей повиснуть в растворе, не касаясь ни дна, ни стенок банки. Накройте банку бумажным полотенцем и поставьте в прохладное место, где ее никто не побеспокоит. В течение дня вы должны увидеть, как образуются красивые кристаллы соли.
5. Кристаллы английской соли
Кристаллы английской соли Источник: Jake Popek/YouTube Вы можете купить английскую соль на Amazon, в местном продуктовом магазине или аптеке.
Чтобы вырастить кристаллы английской соли, вам понадобится термостойкая чашка, например стеклянная мерная чашка.
Добавьте 1/2 стакана английской соли в 1/2 стакана очень горячей водопроводной воды и перемешивайте не менее одной минуты . Это создает насыщенный раствор, в котором соль Эпсома больше не может растворяться. Добавьте пару капель пищевого красителя, если хотите, чтобы ваши кристаллы были цветными.
Поместите мерный стаканчик в холодильник, чтобы раствор быстро охладился. Через несколько часов вы должны увидеть красивые кристаллы. Слейте оставшийся раствор и дайте кристаллам высохнуть.
6. Кристаллы сульфата меди
Кристаллы сульфата меди Источник: Crystal Titan/Wikimedia CommonsВы можете купить порошок сульфата меди на Amazon. Для изготовления кристаллов сульфата меди вам понадобится:
- Сульфат меди
- Кастрюля
- Стеклянная банка
- Малая тарелка
- Нож для масла
Не прикасайтесь ни к кристаллам, ни к раствору, так как сульфат меди может оставить пятна как на коже, так и на тканях.
Лучше использовать резиновые перчатки.
Размешивать сульфат меди в кипящей воде до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Налейте небольшое количество раствора на небольшую тарелку, а остальное сохраните. Большая площадь поверхности пластины поможет раствору сульфата меди быстро испариться, оставив небольшие затравочные кристаллы.
Выберите лучшие затравочные кристаллы и аккуратно соскоблите их ножом для масла с тарелки. Вылейте оставшийся раствор в банку и поместите затравочные кристаллы в банку, убедившись, что они не касаются друг друга. Поместите банку в такое место, где ее никто не побеспокоит.
Когда размер кристаллов вас удовлетворит, вы можете соскрести их с банки с помощью ножа для масла. Вы должны хранить готовые кристаллы сульфата меди в герметичном контейнере, например в пластиковом пакете, потому что вода, содержащаяся в кристаллах, испарится, и кристалл станет зеленовато-серым.
7. Кристаллы серы
Кристаллы серы Источник: Eric Hunt/Wikimedia Commons Вы можете купить порошок серы на Amazon.
Для изготовления кристаллов серы используется процесс, отличный от того, что мы видели выше, называемый горячим расплавом . Поскольку сера может загореться, рекомендуется, чтобы взрослый наблюдал за изготовлением кристаллов серы. Все, что вам нужно, это:
- Сера
- Кастрюля.
Растопите серу в кастрюле, стараясь не допустить возгорания. Как только он полностью растает, снимите кастрюлю с огня, и сера будет кристаллизоваться по мере остывания.
8. Кристаллы висмута
Кристаллы висмута Источник: MarcelC/iStock
Вы можете купить блоки висмута на Amazon. Это простые серые блоки, но когда их расплавляют и дают им остыть, висмут превращается в красивый ступенчатый кристалл с переливающимися цветами. Цвета создаются интерференцией света внутри оксидной пленки, которая образуется на поверхности кристаллов по мере их охлаждения.
Для изготовления кристаллов висмута вам понадобятся:
- Висмут
- 2 кастрюли из нержавеющей стали
- Вилка
После того, как вы использовали эти кастрюли для нагрева висмута, вы никогда не должны использовать их снова для приготовления пищи, потому что висмут является тяжелым металлом и может быть токсичным.
Также рекомендуется использовать резиновые перчатки для защиты от брызг.
Поместите висмут в одну из кастрюль и нагревайте на сильном огне, пока висмут не расплавится. Сверху появится серая пленка, содержащая примеси, препятствующие образованию кристаллов. Используйте вилку, чтобы переместить кожу в сторону кастрюли, переливая висмут во вторую предварительно нагретую кастрюлю.
Медленно охладите вторую кастрюлю, потому что чем медленнее охлаждение, тем крупнее будут кристаллы. Когда примерно через 30 секунд начнут образовываться кристаллы, слейте с них весь оставшийся жидкий висмут. После полного остывания вы можете вынуть кристаллы из металлического контейнера. Кристаллы висмута можно превратить в красивые украшения.
9. Свинцовые кристаллы
Свинцовые кристаллы Источник: TheBackyardScientist/YouTube Вы, наверное, слышали термин «свинцовый хрусталь», который относится к стеклу, содержащему большое количество свинца. Он отличается от кристаллов, которые образуются из свинца.
Кристаллы свинца также называют «Деревом Сатурна», потому что Сатурн — это алхимическое название свинца.
Чтобы вырастить кристаллы свинца, вам понадобятся следующие предметы. Вы можете купить раствор ацетата свинца, полоски цинка и латунные гайки на Amazon.
- Раствор ацетата свинца
- Цинковая полоса
- Латунная гайка
Для выращивания кристаллов свинца растворите 0,35 унции (10 грамм) ацетата свинца в 3,38 жидких унции (100 мл) воды. Добавьте в раствор полоску цинка и/или латунную гайку, так как латунь содержит цинк. Черные кристаллы начнут формироваться в так называемой девятке.0045 реакция одиночного замещения , во время которой ацетат свинца реагирует с цинком с образованием ацетата цинка и кристаллов элементарного свинца.
Кристаллы образуют перевернутую древовидную структуру, отсюда и название «Дерево Сатурна». При извлечении из раствора кристаллы свинца быстро окисляются и на их поверхности образуется серый или белый налет окиси свинца.