Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Рост кристаллов из водных растворов происходит при достижении концентрации пересыщения, при этом из раствора осаждается растворенное вещество. Концентрация пересыщения достигается разными путями. Основными являются три: (1) снижение температуры водных растворов; (2) испарение растворителя; (3) тепловая конвекция раствора (гидротермальный метод).

(1)Метод кристаллизации при изменении (в большинстве случаев понижении) температуры основан на том, что, как правило, растворимость веществ в водных растворах с температурой возрастает (положительный температурный коэффициент растворимости). Таким образом, при снижении температуры во всем объеме кристаллизатора достигаются условия пересыщения и из раствора начинают выпадать кристаллы. Как правило, кристаллизацию ведут на затравку, чем предупреждаются процессы спонтанной кристаллизации (образования мелких кристалликов - "паразитов"). Данный метод широко используется в промышленности для выращивания кристаллов пьезоэлектриков: сегнетовой соли, гидрофосфата аммония и др. Кристаллы весом до 5-6 кг выращивают из водных растворов за 23-27 суток.

(2)Метод испарения растворителя схож с предыдущим, однако пересыщение раствора достигается испарением воды. Этот метод используется для выращивания кристаллов, характеризующихся низкими значениями температурного коэффициента растворимости, например, Li₂SO₄ H₂O.

(3)Кристаллизацию при тепловой конвекции раствора (гидротермальный метод), как правило, применяют для выращивания малорастворимых веществ. С самого начала метод был использован для роста кристаллов кварца. Суть его состоит в следующем. В вертикально расположенный автоклав загружают шихту и заполняют водным раствором растворителя до определенного объема из расчета заданного давления. Донная часть автоклава нагревается до более высокой температуры, чем верхняя его часть. При этом в нижней части автоклава происходит растворение шихты и за счет меньшей плотности нагретый раствор поступает в верхнюю часть автоклава, в которой температура ниже. При этом поступающий в верхнюю часть сосуда раствор оказывается пересыщенным, а это приводит к осаждению растворенного вещества на расположенных здесь затравках. Охлажденный и обедненный раствор возвращается в нижнюю часть автоклава, где снова разогревается и обогащается за счет растворения шихты. Процесс может продолжаться до тех пор, пока весь материал шихты не будет перекристаллизован. Конвекционное движение раствора ускоряется увеличением температурного градиента на внешних стенках автоклава, что уменьшает его величину во внутренней полости. Достаточный температурный градиент, способствующий эффективному переносу растворенного вещества, получают, вводя во внутреннюю часть автоклава диафрагмы - перегородки, которые ограничивают конвекционное движение жидкости. Средние значения скоростей роста кристаллов гидротермальным методом составляют 0,1-1 мм в сутки.

Данным способом были синтезированы многие природные минералы, однако в промышленных масштабах гидротермальный метод используется для выращивания главным образом монокристаллов кварца, берлинита (AlPO₄ - структурного аналога кварца) и цинкита (ZnO). В заводских условиях используют автоклавы объемом несколько литров, процесс выращивания монокристаллов длится несколько месяцев.

Для выращивания кварца чаще всего используют 5% раствор карбоната натрия. Вертикально расположенный автоклав нагревают до 370^о С в нижней части, перепад температуры составляет 20^о, процесс проводят при давлении до 300 бар. Таким методом получают монокристаллы кварца весом до первых килограммов. Растворитель и рабочие температуры кристаллизации при выращивании кварца были найдены на основании изучения природных кристаллов и газово-жидких включений в них. С другой стороны, экспериментальные работы, направленные на разработку оптимальной технологии выращивания кварца, использованы для правильного понимания роста его кристаллов в природных полостях (занорышах пегматитов, жилах выполнения). Оказалось, что в условиях синтеза кристаллы обладают резкой анизотропией роста, причем наиболее быстрорастущими гранями являются пинакоид и малый ромбоэдр. В этих условиях спонтанно зарождающиеся кристаллы не могут расти, т.к. покрываются комплексом практически не растущих граней. Конфигурация затравочной пластины определяет размер и форму будущего кристалла. Для пластин из пирамиды роста грани пинакоида характерна наибольшая скорость нарастания, а, кроме того, меньший захват примесей. На таких пластинах оказалось возможным выращивать бездислокационные кристаллы с наилучшими пьезоэлектрическими свойствами. Газово-жидкие включения обычно располагаются на границе с затравкой. Твердые включения - микрочастицы размером в десятые и сотые доли мм - переносятся конвекционными потоками и оседают на обращенных вверх гранях.

Важное петрологическое значение имело выявление в работах по синтезу кристаллов кварца расслоение водных щелочносиликатных систем с отделением высококонцентрированной жидкости - "тяжелой фазы" (см. главы II-1 и II-4).

Дополнительная литература.

Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. - М., 1980.