As aplicações dos cristais na ciência e na tecnologia são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitaremos a alguns exemplos.
O mais duro e raro dos minerais naturais é al-maz. Hoje, um diamante é principalmente um trabalho de pedra, não uma decoração de pedra.
Devido à sua dureza excepcional, o diamante desempenha um papel enorme na tecnologia. Serras de diamante cortam pedras. Uma serra de diamante é um grande disco de aço giratório (até 2 metros de diâmetro), nas bordas das quais são feitos entalhes ou entalhes. Pó de diamante fino, misturado com algum tipo de adesivo, é esfregado nessas incisões. Esse disco, girando em alta velocidade, corta rapidamente qualquer pedra.
O diamante desempenha um papel importante na perfuração rochas, na mineração.
Ferramentas de gravação, máquinas de divisão, testadores de dureza, brocas de pedra e metal têm pontas de diamante inseridas.
O pó de diamante esmerilha e poli pedras duras, aço endurecido, ligas duras e superduras. O próprio diamante pode ser cortado, polido e gravado apenas com um diamante. As peças de motor mais críticas na indústria automotiva e de aviação são processadas com brocas e cortadores de diamante.
Rubi e safira estão entre as pedras preciosas mais bonitas e caras. Todas essas pedras têm outras qualidades, mais modestas, mas úteis. Rubi vermelho-sangue e safira azul-lazar são irmãos, geralmente são o mesmo mineral - corindo, óxido de alumínio A12O3. A diferença de cor surgiu devido a impurezas muito pequenas no óxido de alumínio: uma adição insignificante de cromo transforma o corindo incolor em um rubi vermelho-sangue, o óxido de titânio em safira. Existem corindos e outras cores. Eles também têm um irmão modesto e discreto em tudo: corindo marrom, opaco e fino - esmeril, que é usado para limpar o metal, do qual é feita a lixa. O corindo com todas as suas variedades é uma das pedras mais duras da Terra, a mais dura depois do diamante. O corindo pode ser usado para perfurar, esmerilhar, polir, afiar pedras e metais. Rebolos e pedras de amolar, pós de moagem são feitos de corindo e esmeril.
Toda a indústria relojoeira trabalha com rubis artificiais. Nas fábricas de semicondutores, os circuitos mais finos são desenhados com agulhas de rubi. Nas indústrias têxtil e química, os guias de fio de rubi desenham fios de fibras artificiais, de kapron, de nylon.
Vida nova ruby é um laser ou, como é chamado na ciência, um gerador quântico óptico (OQG), um maravilhoso aparelho dos nossos dias. Em 1960 O primeiro laser de rubi foi criado. Descobriu-se que o cristal rubi amplifica a luz. O laser brilha mais do que mil sóis.
Poderoso feixe de laser com enorme poder. Ele queima facilmente chapas de metal, solda fios de metal, queima tubos de metal, faz os furos mais finos em ligas duras, diamante. Essas funções são realizadas por um laser sólido, onde são utilizados rubi, granada com neódito. Na cirurgia ocular, os lasers de neodino e os lasers de rubi são os mais usados. Os sistemas terrestres de campo próximo geralmente usam lasers de injeção de arsenieto de gálio.
Novos cristais de laser também apareceram: fluorita, granadas, arsenieto de gálio, etc.
A safira é transparente, por isso são feitas placas para instrumentos ópticos.
A maior parte dos cristais de safira vai para a indústria de semicondutores.
Flint, ametista, jaspe, opala, calcedônia - todas essas são variedades de quartzo. Pequenos grãos de quartzo formam areia. E a variedade mais bonita e maravilhosa de quartzo é o cristal de rocha, ou seja, cristais de quartzo transparentes. Portanto, lentes, prismas e outras partes de instrumentos ópticos são feitos de quartzo transparente.
As propriedades elétricas do quartzo são especialmente surpreendentes. Se você comprimir ou esticar um cristal de quartzo, cargas elétricas aparecerão em suas faces. Este é o efeito piezoelétrico em cristais.
Hoje em dia, não apenas o quartzo é usado como piezoelétrico, mas também muitos outros, principalmente substâncias sintetizadas artificialmente: sal azul, titanato de bário, dihidrogenofosfatos de potássio e amônio (KDR e ADR) e muitos outros.
Cristais piezoelétricos são amplamente utilizados para reprodução, gravação e transmissão de som.
Existem também métodos piezoelétricos para medir a pressão sanguínea nos vasos sanguíneos humanos e a pressão dos sucos nos caules e troncos das plantas. Placas piezoelétricas medem, por exemplo, a pressão no tronco peça de artilharia ao disparar, a pressão no momento da explosão da bomba, a pressão instantânea nos cilindros dos motores durante a explosão de gases quentes neles.
A indústria eletro-óptica é a indústria de cristais que não possuem centro de simetria. Esta indústria é muito grande e diversificada; centenas de tipos de cristais são cultivados e processados em suas fábricas para uso em óptica, acústica, rádio eletrônica e tecnologia laser.
Na tecnologia, o material policristalino Polaroid também encontrou sua aplicação.
Um polaroid é um filme transparente fino completamente preenchido com minúsculos cristais transparentes semelhantes a agulhas de uma substância que birrefringem e polarizam a luz. Todos os cristais são paralelos entre si, então todos polarizam igualmente a luz que passa pelo filme.
Os filmes Polaroid são usados em óculos Polaroid. Polaroids amortecem o brilho da luz refletida, permitindo que todo o resto da luz passe. Eles são indispensáveis para os exploradores polares que constantemente precisam olhar para um reflexo deslumbrante raios solares do campo de neve congelada.
Os óculos Polaroid ajudarão a evitar colisões de carros que se aproximam, o que muitas vezes acontece devido ao fato de que as luzes de um carro que se aproxima cegam o motorista e ele não vê esse carro. Se os pára-brisas dos carros e os vidros das lâmpadas dos carros forem feitos de um polaroid, e ambos os campos roid forem girados para que seus eixos ópticos sejam deslocados, o pára-brisa não deixará passar a luz das lâmpadas do carro que se aproxima ", apague-o. "
Os cristais têm desempenhado um papel importante em muitos inovações técnicas século 20 Alguns cristais geram uma carga elétrica quando deformados. Sua primeira aplicação significativa foi a fabricação de osciladores de radiofrequência estabilizados por cristais de quartzo. Ao fazer uma placa de quartzo vibrar no campo elétrico de um circuito oscilatório de radiofrequência, pode-se estabilizar a frequência de recepção ou transmissão.
Os dispositivos semicondutores que revolucionaram a eletrônica são feitos de substâncias cristalinas, principalmente silício e germânio. Nesse caso, os dopantes, que são introduzidos na rede cristalina, desempenham um papel importante. Os diodos semicondutores são usados em computadores e sistemas de comunicação, os transistores substituíram os tubos de vácuo na engenharia de rádio e painéis solares, colocados na superfície externa da espaçonave, convertem energia solar em energia elétrica. Os semicondutores também são amplamente utilizados em conversores corrente alternada em permanente.
Os cristais também são usados em alguns masers para amplificar microondas e em lasers para amplificar ondas de luz. Cristais com propriedades piezoelétricas são usados em receptores de rádio e transmissores de rádio, em captadores e em sonares. Alguns cristais modulam feixes de luz, enquanto outros geram luz aplicando uma voltagem. A lista de usos dos cristais já é longa e crescente.
Na natureza, monocristais da maioria das substâncias sem rachaduras, impurezas e outros defeitos são extremamente raros. Isso levou ao fato de que muitos cristais foram chamados de pedras preciosas por milhares de anos. Diamante, rubi, safira, ametista e outras pedras preciosas há muito são valorizadas pelas pessoas, principalmente não para mecânica especial ou outros propriedades físicas mas apenas por causa de sua raridade.
O desenvolvimento da ciência e da tecnologia levou ao fato de que muitas pedras ou cristais preciosos, raramente encontrados na natureza, tornaram-se muito necessários para a fabricação de peças para dispositivos e máquinas, para pesquisas científicas. A necessidade de muitos cristais cresceu tanto que era impossível satisfazê-la expandindo a escala de trabalho antigo e procurando novos depósitos naturais.
Além disso, para muitos ramos da tecnologia e especialmente para a pesquisa científica, são cada vez mais necessários monocristais de altíssima pureza química com uma estrutura cristalina perfeita. Os cristais encontrados na natureza não atendem a esses requisitos, pois crescem em condições muito distantes das ideais.
Assim, surgiu o problema de desenvolver uma tecnologia para a produção artificial de monocristais de muitos elementos e compostos químicos.
O desenvolvimento de um método relativamente simples de fazer uma "pedra preciosa" leva ao fato de que ela deixa de ser preciosa. Isso se explica pelo fato de que a maioria das gemas são cristais amplamente distribuídos na natureza. elementos químicos e conexões. Assim, o diamante é um cristal de carbono, o rubi e a safira são cristais de óxido de alumínio com várias impurezas.
Vamos considerar os principais métodos de crescimento de monocristais. À primeira vista, pode parecer que a cristalização de um fundido é muito simples. Basta aquecer a substância acima do ponto de fusão, obter uma fusão e depois resfriá-la. Em princípio, este é o caminho certo, mas se medidas especiais não forem tomadas, na melhor das hipóteses, uma amostra policristalina será obtida. E se o experimento for feito, por exemplo, com quartzo, enxofre, selênio, açúcar, que, dependendo da taxa de resfriamento de seus fundidos, podem solidificar em estado cristalino ou amorfo, não há garantia de que um corpo amorfo não será obtido.
Para crescer um único cristal, o resfriamento lento não é suficiente. É necessário primeiro resfriar uma pequena seção do fundido e obter um “núcleo” de um cristal nele e, em seguida, resfriar sucessivamente o fundido ao redor do “núcleo”, permitir que o cristal cresça em todo o volume do fundido . Este processo pode ser alcançado baixando lentamente o cadinho com o fundido através do orifício no forno tubular vertical. O cristal nasce no fundo do cadinho, pois cai na região de mais Baixas temperaturas, e depois cresce gradualmente ao longo de todo o volume do fundido. O fundo do cadinho é especialmente estreito, apontado para um cone, de modo que apenas um núcleo cristalino possa ser localizado nele.
Este método é frequentemente usado para crescer cristais de zinco, prata, alumínio, cobre e outros metais, bem como cloreto de sódio, brometo de potássio, fluoreto de lítio e outros sais usados na indústria óptica. Por um dia, você pode cultivar um cristal de sal-gema pesando cerca de um quilo.
A desvantagem do método descrito é a contaminação dos cristais com o material do cadinho.
O método sem cadinho de crescimento de cristais a partir de um fundido, que é usado para crescer, por exemplo, corindo (rubis, safiras), é privado dessa desvantagem. O pó mais fino de óxido de alumínio de grãos de 2 a 100 mícrons de tamanho é derramado em uma corrente fina do bunker, passa por uma chama de oxigênio-hidrogênio, derrete e, na forma de gotas, cai sobre uma haste de material refratário. A temperatura da vareta é mantida ligeiramente abaixo do ponto de fusão da alumina (2030°C). Gotas de óxido de alumínio são resfriadas e formam uma crosta de massa sinterizada de corindo. Relógio lento (10-20mm/h ) abaixa a haste e um cristal de corindo não cortado cresce gradualmente nela.
Como na natureza, a obtenção de cristais de uma solução se resume a dois métodos. A primeira delas consiste na lenta evaporação do solvente da solução saturada, e a segunda na lenta diminuição da temperatura da solução. O segundo método é mais comumente usado. Água, álcoois, ácidos, sais fundidos e metais são usados como solventes. Uma desvantagem dos métodos para o crescimento de cristais a partir de uma solução é a possibilidade de contaminação dos cristais com partículas de solvente.
O cristal cresce a partir das áreas da solução supersaturada que o cercam diretamente. Como resultado, a solução é menos supersaturada perto do cristal do que longe dele. Como uma solução supersaturada é mais pesada que uma solução saturada, sempre há um fluxo ascendente da solução “usada” acima da superfície de um cristal em crescimento. Sem essa agitação da solução, o crescimento do cristal cessaria rapidamente. Portanto, a solução geralmente é misturada adicionalmente ou o cristal é fixado em um suporte rotativo. Isso permite que você crie cristais mais perfeitos.
Quão menos velocidade crescimento, melhores os cristais. Esta regra é verdadeira para todos os métodos de cultivo. Cristais de açúcar e sal de mesa são fáceis de obter de solução aquosa em casa. Mas, infelizmente, nem todos os cristais podem ser cultivados tão facilmente. Por exemplo, a obtenção de cristais de quartzo de uma solução ocorre a uma temperatura de 400 ° C e uma pressão de 1000 atm. .
As aplicações dos cristais na ciência e na tecnologia são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitaremos a alguns exemplos.
O mais duro e raro dos minerais naturais é o diamante. Em toda a história da humanidade, apenas cerca de 150 toneladas foram extraídas, embora quase um milhão de pessoas estejam empregadas na indústria global de mineração de diamantes. Hoje, um diamante é principalmente um trabalho de pedra, não uma decoração de pedra. Cerca de 80% de todos os diamantes naturais extraídos e todos os diamantes artificiais são usados na indústria. O papel dos diamantes na tecnologia moderna tão grande que, de acordo com os cálculos dos economistas americanos, a cessação do uso de diamantes levaria a uma redução do poder da indústria americana pela metade.
Aproximadamente 80% dos diamantes usados na tecnologia são usados para afiar ferramentas e fresas de "ligas superduras". Os diamantes servem como pedras de referência (rolamentos) em cronômetros de ponta para embarcações marítimas e em outros instrumentos de navegação altamente precisos. Os rolamentos diamantados não mostram sinais de desgaste mesmo após 25.000.000 rotações.
Um pouco inferior ao diamante em dureza, compete com ele em diversidade aplicações técnicas rubi - corindo nobre, óxido de alumínio Al 2 O 3 com uma mistura corante de óxido de cromo. Cerca de 40.000 pedras de referência para relógios podem ser feitas de 1 kg de rubi sintético. As hastes de rubi tornaram-se indispensáveis nas fábricas para a fabricação de tecidos de fibras químicas. São necessários centenas de milhares de metros de fibra para produzir 1 m de tecido de fibra artificial. Guias de linha feitos do vidro mais duro se desgastam em poucos dias quando uma fibra artificial é esticada através deles, guias de linha de ágata podem funcionar por até dois meses, guias de linha de rubi acabam sendo quase eternos.
Nova área para o uso generalizado de rubis em pesquisa científica e tecnologia foi inaugurado com a invenção do laser de rubi - um dispositivo no qual a haste de rubi serve como fonte poderosa luz emitida na forma de um fino feixe de luz.
Um papel excepcional coube aos cristais na eletrônica moderna. A maioria dos dispositivos eletrônicos semicondutores é feita de germânio ou cristais de silício.
Fetisov Nikolay
O mundo que nos rodeia é constituído por cristais, podemos dizer que vivemos num mundo de cristais. Edifícios residenciais e estruturas industriais, aeronaves e foguetes, navios a motor e locomotivas a diesel, rochas e minerais são compostos de cristais. Comemos cristais, nos curamos com eles e somos parcialmente feitos de cristais.
Então, o que são cristais? Que propriedades eles têm? Como os cristais crescem? Como e onde são usados atualmente e quais são as perspectivas de seu uso no futuro? Essas perguntas me interessaram e tentei encontrar respostas para elas.
11 CONFERÊNCIA CIENTÍFICA E PRÁTICA DO DISTRITO DE KUZNETSKY "MUNDO ABERTO"
SEÇÃO DE FÍSICA
As principais áreas de aplicação dos cristais artificiais
Feito por aluno do 8º ano
Fetisov Nikolai
Chefe Sizochenko A.I.,
Professor de física
educação geral municipal
instituição
"Educação geral básica
Escola nº 24"
Novokuznetsk, 2014
Introdução………………………………………………………… 2
1. Corpo principal
1.1. O conceito de cristal…………………………..……..4
1.2. Monocristais e policristais ...................... 4
1.3. Métodos para o crescimento de cristais…………….…5
1.4. O uso de cristais…………………..………7
2. Parte prática
2.1. Cultivo de cristais em casa
Condições…………………………………………9
3. Conclusão………………………………………….…11
Bibliografia..……………………………………………...13
Aplicações………………………….…………………..14-15
Introdução
Como um escultor mágico
Bordas claras de cristais
Esculpe uma solução incolor.
N.A.Morozov
O mundo que nos rodeia é constituído por cristais, podemos dizer que vivemos num mundo de cristais. Edifícios residenciais e estruturas industriais, aeronaves e foguetes, navios a motor e locomotivas a diesel, rochas e minerais são compostos de cristais. Comemos cristais, nos curamos com eles e somos parcialmente feitos de cristais.
Os cristais são substâncias em que Micro-particulas"embalado" em uma ordem específica. Como resultado, durante o crescimento dos cristais, faces planas aparecem espontaneamente em sua superfície e os próprios cristais assumem uma variedade de formas geométricas.
Acadêmico A.E. Fersman “Quase todo o mundo é cristalino. O mundo é dominado por um cristal e suas rígidas leis retilíneas” condiz com o interesse científico de cientistas de todo o mundo por esse objeto de estudo.
A indústria moderna não pode prescindir de uma grande variedade de cristais. Eles são usados em relógios, receptores de transistores, computadores, lasers e muito mais. O grande laboratório - a natureza - não pode mais atender à demanda da tecnologia em desenvolvimento, e agora os cristais artificiais são cultivados em fábricas especiais: pequenos, quase imperceptíveis e grandes - pesando vários quilos.
As pessoas aprenderam a obter artificialmente muitas pedras preciosas. Por exemplo, rolamentos para relógios e outros instrumentos de precisão há muito são feitos de rubis artificiais. Eles também obtêm artificialmente belos cristais que não existem na natureza - zircônia cúbica. É difícil distinguir zircônias cúbicas de diamantes a olho nu - elas funcionam tão bem na luz.
Então, o que são cristais? Que propriedades eles têm? Como os cristais crescem? Como e onde são usados atualmente e quais são as perspectivas de seu uso no futuro? Essas perguntas me interessaram e tentei encontrar respostas para elas.
Meu trabalho é de pesquisa, pois sua execução utiliza o conhecimento de diversas disciplinas acadêmicas: física, química, biologia, informática. Como resultado da minha atividade, criei uma apresentação "Cristais e suas aplicações", que pode ser usada em aulas de física e química como auxílio visual, e cristais cultivados a partir de sulfato de cobre e sal de mesa.
Alvo:
Determinar as principais áreas de aplicação dos cristais artificiais e testar experimentalmente a possibilidade de cultivo de cristais de sal e sulfato de cobre sem o uso de equipamentos especiais.
Para atingir esse objetivo, enfrentei as seguintes
tarefas:
cristal (do grego. krystallos - "gelo transparente") foi originalmente chamado de quartzo transparente (cristal de rocha), encontrado nos Alpes. O cristal de rocha foi confundido com gelo, endurecido pelo frio a tal ponto que não derrete mais. Inicialmente Característica principal o cristal era visto em sua transparência, e a palavra era usada em relação a todos os sólidos naturais transparentes. Mais tarde, começaram a fazer vidros que não eram inferiores em brilho e transparência às substâncias naturais. Objetos feitos desse vidro também eram chamados de "cristal". Ainda hoje, o vidro de transparência especial é chamado de cristal, a bola “mágica” dos adivinhos é chamada de bola de cristal.
Uma característica surpreendente do cristal de rocha e muitos outros minerais transparentes são suas faces lisas e planas. No final do século XVII. observou-se que existe uma certa simetria na sua disposição e constatou-se que alguns minerais opacos têm um corte regular natural. Houve uma conjectura de que a forma pode estar associada à estrutura interna. No final, tudo passou a ser chamado de cristais sólidos tendo um corte plano natural.
No arsenal há roupas e coroas de czares russos, completamente cobertas de cristais - pedras preciosas - ametistas. Nas igrejas, ícones e altares eram decorados com ametistas.
Os cristais mais famosos são os diamantes, que depois de lapidados se transformam em diamantes. As pessoas tentam desvendar o mistério dessas pedras há muitos séculos e, quando descobriram que o diamante é uma espécie de carbono, ninguém acreditou.
A experiência decisiva foi realizada em 1772 pelo químico francês Lavoisier. Na natureza, os diamantes são formados nas entranhas da terra em temperaturas altas e pressões. Os cientistas conseguiram criar condições em laboratório nas quais os diamantes podem ser obtidos a partir do grafite somente após 200 anos. Dezenas de toneladas de diamantes artificiais estão sendo produzidas. Entre eles, existem diamantes para fins de joalheria, mas a maioria deles é usada para fazer várias ferramentas.
Corpos cristalinos podem ser monocristais e policristais. Um único cristal é um único cristal que possui uma rede cristalina macroscópica ordenada. Possuem forma externa geometricamente correta, mas esta característica não é obrigatória.
Os policristais são pequenos cristais orientados aleatoriamente entre si - cristalitos.
No laboratório, os cristais são cultivados sob condições cuidadosamente controladas para garantir as propriedades desejadas, mas, em princípio, os cristais de laboratório são formados da mesma forma que na natureza - a partir de solução, fusão ou vapor. Assim, cristais piezelétricos de sal de Rochelle crescem a partir de uma solução aquosa à pressão atmosférica. Grandes cristais de quartzo óptico também crescem a partir da solução, mas a temperaturas de 350–450 cerca de C e uma pressão de 140 MPa. Os rubis são sintetizados à pressão atmosférica a partir do pó de óxido de alumínio fundido a uma temperatura de 2050 cerca de C. Os cristais de carboneto de silício usados como abrasivo são obtidos a partir de vapores em um forno elétrico.
O rubi foi o primeiro monocristal obtido em laboratório. Para obter o rubi, aqueceu-se uma mistura de alumina anidra, contendo maior ou menor mistura de potássio cáustico com fluoreto de bário e sal de potássio com dois cromos. Este último é adicionado para causar a cor do rubi, e o óxido de alumínio é retirado em pequena quantidade. A mistura é colocada em um cadinho de argila e aquecida (de 100 horas a 8 dias) em fornos reverberatórios a temperaturas de até 1500 cerca de C. No final do experimento, uma massa cristalina aparece no cadinho e as paredes são cobertas por cristais de rubi de uma bela cor rosa.
O segundo método comum para o cultivo de cristais sintéticos de pedras preciosas é o método Czochralski. Consiste no seguinte: o derretimento da substância da qual as pedras deveriam cristalizar é colocado em um cadinho refratário feito de metal refratário (platina, ródio, irídio, molibdênio ou tungstênio) e aquecido em um indutor de alta frequência. Uma semente do material do futuro cristal é abaixada no derretimento no eixo de exaustão, e o material sintético é cultivado até a espessura desejada. A haste com a semente é gradualmente puxada para cima a uma velocidade de 1-50 mm/h com crescimento simultâneo a uma frequência de rotação de 30-150 rpm. Gire o eixo para equalizar a temperatura do fundido e garantir a distribuição uniforme das impurezas. Diâmetro do cristal de até 50 mm, comprimento de até 1 m Corindo sintético, espinélio, granadas e outras pedras artificiais são cultivadas usando o método Czochralski.
Os cristais também podem crescer quando os vapores se condensam - é assim que os padrões de flocos de neve no vidro frio são obtidos. Quando os metais são deslocados das soluções salinas com a ajuda de metais mais ativos, também são formados cristais. Por exemplo, coloque um prego de ferro em uma solução de sulfato de cobre, ele ficará coberto com uma camada vermelha de cobre. Mas os cristais de cobre resultantes são tão pequenos que só podem ser vistos ao microscópio. Na superfície da unha, o cobre é liberado muito rapidamente, então seus cristais são muito pequenos. Mas se o processo for retardado, os cristais ficarão grandes. Para isso, o sulfato de cobre deve ser coberto com uma espessa camada de sal de cozinha, colocar um círculo de papel de filtro sobre ele e, por cima, uma placa de ferro com diâmetro ligeiramente menor. Resta despejar uma solução saturada de sal de mesa no recipiente. O sulfato de cobre começará a se dissolver lentamente na salmoura. Os íons de cobre (na forma de ânions verdes complexos) se difundirão para cima muito lentamente, ao longo de muitos dias; o processo pode ser observado pelo movimento da borda colorida. Tendo alcançado a placa de ferro, os íons de cobre são reduzidos a átomos neutros. Mas como esse processo é muito lento, os átomos de cobre se alinham em belos cristais brilhantes. Às vezes, esses cristais formam ramificações - dendritos.
Os cristais naturais sempre despertaram a curiosidade das pessoas. Sua cor, brilho e forma afetavam o senso humano de beleza, e as pessoas decoravam a si mesmas e suas casas com elas. Por muito tempo, as superstições foram associadas aos cristais; como amuletos, eles deveriam não apenas proteger seus donos dos espíritos malignos, mas também dotá-los de poderes sobrenaturais. Mais tarde, quando os mesmos minerais começaram a ser cortados e polidos como pedras preciosas, muitas superstições foram preservadas em talismãs "para dar sorte" e "próprias pedras" correspondentes ao mês de nascimento. Todas as gemas naturais, exceto a opala, são cristalinas, e muitas delas, como diamante, rubi, safira e esmeralda, vêm em cristais lindamente lapidados.Jóias de Cristalsão tão populares agora quanto eram durante o Neolítico.
Com base nas leis da ótica, os cientistas procuravam um mineral transparente, incolor e sem defeitos a partir do qual fosse possível fabricar lentes por polimento e polimento. Os cristais de quartzo incolores têm as propriedades ópticas e mecânicas necessárias eas primeiras lentes, inclusive para óculosforam feitos a partir deles. Mesmo após o advento do vidro óptico artificial, a necessidade de cristais não desapareceu completamente; cristais de quartzo, calcita e outras substâncias transparentes que transmitem radiação ultravioleta e infravermelha ainda são usados para fazer prismas e lentes de instrumentos ópticos.
Os cristais desempenharam um papel importante em muitas inovações técnicas do século XX. Alguns cristais geram uma carga elétrica quando deformados. Seu primeiro uso significativo foiprodução de geradores de radiofrequência estabilizados por cristais de quartzo.Ao fazer uma placa de quartzo vibrar no campo elétrico de um circuito oscilatório de radiofrequência, pode-se estabilizar a frequência de recepção ou transmissão.
Os diodos semicondutores são usados em computadores e sistemas de comunicação, os transistores substituíram os tubos de vácuo na engenharia de rádio e os painéis solares colocados na superfície externa da espaçonave convertem a energia solar em energia elétrica. Semicondutores também são amplamente utilizados em conversores AC/DC.
Cristais com propriedades piezoelétricas são usados em receptores de rádio e transmissores de rádio, em captadores e em sonares. Alguns cristais modulam feixes de luz, enquanto outros geram luz aplicando uma voltagem. A lista de usos dos cristais já é longa e crescente.
cristais artificiais.Desde a antiguidade, o homem sonha em sintetizar pedras tão preciosas quanto as encontradas em condições naturais. Até o século XX. tais tentativas não tiveram sucesso. Mas em 1902conseguiu obter rubis e safiras, que tem as propriedades pedras naturais. Mais tarde, no final da década de 1940,esmeraldas sintetizadas, e em 1955 a General Electric Company e o Instituto de Física da Academia de Ciências da URSS relataram a fabricaçãodiamantes artificiais.
As muitas necessidades tecnológicas de cristais estimularam a pesquisa de métodos para o crescimento de cristais com propriedades químicas, físicas e elétricas predeterminadas. O trabalho dos pesquisadores não foi em vão, e foram encontradas maneiras de cultivar grandes cristais de centenas de substâncias, muitas das quais não têm análogo natural. Frequentemente encontrado na natureza corpos sólidos tendo a forma poliedros regulares. Esses corpos são chamados de cristais. O estudo das propriedades físicas dos cristais mostrou que a forma geometricamente correta não é sua principal característica.
Totalmente coerente com o insaciável interesse científico de cientistas de todo o mundo e de todas as áreas do conhecimento por este objeto de estudo. No final dos anos 60 do século passado, iniciou-se um grande avanço científico no campo dacristais líquidos, que deu origem à "revolução do indicador" para substituir os mecanismos de comutação pelos meios de exibição visual de informações. Mais tarde, o conceito de cristal biológico (DNA, vírus etc.) entrou na ciência e, na década de 1980, um cristal fotônico.
O cultivo de cristais é um processo muito interessante, mas bastante longo e trabalhoso.
É útil saber quais processos governam seu crescimento; Por quê substâncias diferentes formam cristais de várias formas, e alguns não se formam; O que precisa ser feito para torná-los grandes e bonitos.
Tentei encontrar respostas para essas perguntas em meu trabalho.
Se a cristalização for muito lenta, obtém-se um cristal grande (ou monocristal), se for rápida, muitos cristais pequenos.
Cultivando cristais em casa, produzi de várias maneiras.
Método 1 . Resfriamento de uma solução saturada de sulfato de cobre. À medida que a temperatura diminui, a solubilidade das substâncias diminui e elas precipitam. Primeiro, minúsculos cristais de semente aparecem na solução e nas paredes do recipiente. Quando o resfriamento é lento e não há impurezas sólidas na solução, muitos núcleos são formados e gradualmente se transformam em belos cristais com a forma correta. Com o resfriamento rápido, muitos cristais pequenos aparecem, quase nenhum deles tem a forma correta, porque há muitos deles crescendo e interferem uns nos outros.
Para crescer um cristal de sulfato de cobre, fiz uma solução supersaturada:
1. Para isso eu peguei água morna, dissolveu o vitríolo nele e derramou até que parasse de se dissolver.
2. Despeje através do filtro (gaze) em outro recipiente limpo. O recipiente foi encharcado com água fervente para evitar a cristalização rápida da solução nas paredes sujas.
3. Prepare a semente.
4. Amarrou-o a um fio e mergulhou-o na solução.
Para que o cristal cresça uniformemente de todos os lados, é melhor manter a semente (pequeno cristal) em estado suspenso em solução. Para fazer isso, fiz um jumper com um bastão de vidro. Aliás, é aconselhável pegar um fio liso, fino ou de seda, para que não se formem pequenos cristais desnecessários. Em seguida, coloco minha solução em lugar quente. O resfriamento lento é muito importante (para obter um cristal grande). A cristalização pode ser vista dentro de algumas horas. Periodicamente, você precisa trocar ou atualizar a solução saturada, bem como limpar pequenos cristais do fio. (Anexo 1)
Método 2 - remoção gradual de água de uma solução saturada.
Neste caso, quanto mais lenta for a remoção da água, melhor será o resultado. Deixei um recipiente aberto com uma solução de sal de cozinha (sal comestível) em temperatura ambiente por 14 dias, cobrindo-o com uma folha de papel - enquanto a água evaporava lentamente e o pó não entrava na solução. O cristal em crescimento foi suspenso em uma solução saturada em um fio fino e forte. O cristal revelou-se grande, mas sem forma - amorfo. (Anexo 1)
O cultivo de cristais é um processo divertido, mas requer uma atitude cuidadosa e cuidadosa em relação ao seu trabalho. Teoricamente, o tamanho de um cristal que pode ser cultivado em casa dessa maneira é ilimitado. Há casos em que os entusiastas receberam cristais de tal tamanho que só puderam ser levantados com a ajuda de camaradas.
Mas, infelizmente, existem alguns recursos de armazenamento. Por exemplo, se um cristal de alume for deixado aberto ao ar seco, ele perderá gradualmente seu teor de água e se transformará em um pó cinza discreto. Para protegê-lo da destruição, você pode cobri-lo com um verniz incolor. O sulfato de cobre e o sal de mesa são mais resistentes e você pode trabalhar com segurança com eles.
No ano passado, na 7ª série, em uma aula de química, enquanto estudávamos o tema “Fenômenos que ocorrem com substâncias”, cultivamos cristais, muitos dessa experiência não deu certo. Este ano, sugeri aos meninos da 7ª série como lidar adequadamente com essa tarefa, e foi o que eles fizeram (ver Anexo 2).
Conclusão
Todas as propriedades físicas que tornam os cristais tão amplamente utilizados dependem de sua estrutura - sua rede espacial.
Junto com os cristais de estado sólido, os cristais líquidos são amplamente utilizados atualmente e, em um futuro próximo, usaremos dispositivos baseados em cristais fotônicos.
Selecionei o método mais aceitável para cultivar cristais em casa e criei cristais de sal e sulfato de cobre. À medida que os cristais cresciam, ele fazia observações, registrava mudanças.
Os cristais são lindos, pode-se dizer algum tipo de milagre, eles se atraem; eles dizem "um homem de alma de cristal" sobre aquele que tem uma alma pura. Cristalino significa brilhar com luz como um diamante. E, se falamos de cristais com uma atitude filosófica, podemos dizer que se trata de um material que é um elo intermediário entre a matéria viva e a inanimada. Os cristais podem nascer, envelhecer, colapsar. Um cristal, quando cresce em uma semente (em uma semente), herda os defeitos dessa mesma semente. Mas falando muito a sério, agora, talvez, seja impossível nomear uma única disciplina, nem um único campo da ciência e da tecnologia que prescindiria dos cristais. Os médicos estão interessados \u200b\u200bno ambiente em que ocorre a formação de cristais de cálculos renais e os farmacêuticos estão interessados \u200b\u200bem comprimidos - são cristais comprimidos. A assimilação, a dissolução de pastilhas depende de que caras estes microcristais são cobertos. Vitaminas, a bainha de mielina dos nervos, proteínas e vírus são todos cristais.
O cristal é milagroso em suas propriedades, desempenha uma variedade de funções. Essas propriedades são inerentes à sua estrutura, que possui uma estrutura de treliça tridimensional. A cristalografia não é uma ciência nova. M. V. Lomonosov está em suas origens. O cultivo de cristais tornou-se possível devido ao estudo de dados de mineralogia sobre a formação de cristais em condições naturais. Ao estudar a natureza dos cristais, a composição a partir da qual eles cresceram e as condições para o seu crescimento foram determinadas. E agora esses processos são imitados, obtendo cristais com as propriedades desejadas. Químicos e físicos participam da obtenção de cristais. Se os primeiros desenvolvem tecnologia de crescimento, os últimos determinam suas propriedades. Os cristais artificiais podem ser distinguidos dos naturais? Por exemplo, um diamante artificial ainda é inferior ao natural em termos de qualidade, incluindo brilho. Os diamantes artificiais não causam alegria nas joias, mas são bastante adequados para uso em tecnologia, nesse sentido estão em pé de igualdade com os naturais. Mais uma vez, os cultivadores atrevidos (como são chamados os químicos que cultivam cristais artificiais) aprenderam a cultivar as agulhas de cristal mais finas com força extremamente alta. Isso é obtido manipulando a química do meio, temperatura, pressão e a influência de algumas outras condições adicionais. E isso já é toda uma arte, criatividade, habilidade - as ciências exatas não vão ajudar aqui.
O tema “Cristais” é relevante, e se você se aprofundar nele e se aprofundar, será do interesse de todos, dará respostas para muitas dúvidas e, o mais importante, o uso ilimitado de cristais. Os cristais são misteriosos em sua essência e tão extraordinários que, em meu trabalho, contei apenas uma pequena parte do que se sabe sobre cristais e seu uso atualmente. Pode ser que o estado cristalino da matéria seja o degrau que uniu o mundo inorgânico ao mundo da matéria viva. Futuro as últimas tecnologias pertence aos cristais e agregados cristalinos!
Com base na minha pesquisa, cheguei ao seguinte conclusões:
Bibliografia
http://www.krugosvet.ru - Enciclopédia ao redor do mundo.
http://ru.wikipedia.org/ - Enciclopédia Wikipédia.
http://www.kristallikov.net/page6.html - como crescer um cristal.
Anexo 1.
diário de observação
a data | Observações | Uma foto |
||
Sal | vitríolo azul | Sal | sulfato de cobre |
|
24.01.14. | Antes de abaixar a semente na solução. comprimento: 5mm largura: 5mm | Fazemos um laço de arame, penduramos e abaixamos na solução. | ||
27.01.14. | comprimento: 11mm largura: 7mm | comprimento: 12mm largura: 10mm | ||
30.01.14. | comprimento: 20mm largura: 10mm | comprimento: 18mm largura: 13mm | ||
3.02.14. | A formação do cristal foi além do limite da solução | comprimento: 25mm largura: 15mm | ||
6.02.14. | O cristal acabou sendo grande, mas sem forma | comprimento: 30mm largura: 20mm | ||
Anexo 2
Cristais cultivados por alunos da sétima série
Aplicação de cristais
Decorações
lentes
preparou a semente
Alvo
: determinar as principais áreas de aplicação de cristais artificiais e testar experimentalmente a possibilidade de cultivo de cristais de sal e sulfato de cobre sem o uso de equipamentos especiais.
Tarefas:
Colete material sobre cristais e suas propriedades.
Realize experimentos sobre o crescimento de cristais de sulfato de cobre e sal de cozinha.
Sistematizar material sobre cristais: as propriedades físicas dos cristais e suas aplicações.
Crie uma apresentação "Cristais e suas aplicações".
2. Deslocamento de metais de soluções salinas com a ajuda de metais mais ativos.
Passe a solução pelo filtro
Obrigado pela sua atenção
As principais áreas de aplicação dos cristais artificiais
Feito por aluno do 8º ano
Fetisov Nikolay
Supervisor
Sizochenko
A.I. ,
Professor de física
educação geral municipal
instituição
"Educação geral básica
Escola nº 24"
Novokuznetsk, 2014
conclusões
Cristais cultivados artificialmente são usados em vários campos: medicina, engenharia de rádio,
avião-máquina
estrutura, óptica e muitos outros.
O prazo para obtenção de cristais artificiais é muito menor do que o processo de sua formação natural. O que os torna mais acessíveis de usar.
Em casa, você pode cultivar cristais mesmo em pouco tempo.
Métodos de crescimento de cristais
Método
Czochralski
- cadinho
método:
fundição
substâncias das quais
esperado para cristalizar
pedras são colocadas em um refratário
cadinho
de metal refratário (platina, ródio,
irídio
, molibdênio ou tungstênio) e aquecidos em
alta frequência
indutor.
(Gemas: rubis)
cadinho de barro
Cultivo de cristais em casa
Método 1
: Resfriamento lento da solução saturada
Preparando uma solução supersaturada
policristais
monocristais
Cristais cultivados por alunos da sétima série
cristais líquidos
cristais
- é sólido
substâncias
tendo um natural
forma externa
poliedros simétricos regulares
Sediada
no
seu interior
estrutura
Diodos semicondutores, transistores, painéis solares
Método 2:
Remoção gradual de água de uma solução saturada
NO
Neste caso, quanto mais lenta for a remoção da água, melhor será o resultado.
Tenho que deixar o navio
com solução salina
sal,
cobrindo-o com uma folha de papel, enquanto a água
evapora
lentamente, e a poeira na solução não é
exitos.
Cristal
acabou por ser grande, mas disforme - amorfo.
Desde os tempos antigos, a humanidade tem usado cristais. Inicialmente, eram cristais naturais usados como ferramenta e meio de cura e meditação. Mais tarde, as pedras raras e os metais preciosos passaram a atuar como Dinheiro. Pesquisas científicas fundamentais e descobertas do século 20 possibilitaram o desenvolvimento de métodos de obtenção de cristais artificiais e expandir significativamente suas áreas de aplicação.
Um monocristal é um cristal homogêneo que possui uma rede cristalina contínua e anisotropia de propriedades. formulário externo monocristal depende da estrutura atômica-cristalina e das condições de cristalização. Exemplos de monocristais são monocristais de quartzo, sal-gema, espato islandês, diamante, topázio.
Se a taxa de crescimento do cristal for alta, então policristais serão formados, que têm um grande número de monocristais. Monocristais de substâncias de alta pureza têm as mesmas propriedades, independentemente do método de preparação.
Até o momento, existem cerca de 150 métodos para obtenção de monocristais: fase vapor, fase líquida (soluções e fusões) e fase sólida.
No Departamento de Materiais de Alta Temperatura e Metalurgia do Pó, uso o método mais recente para cultivar monocristais de hexaboreto de lantânio e várias ligas eutéticas baseadas nele. Monocristais desses compostos são usados para fazer cátodos usados na tecnologia de emissão.
Com o desenvolvimento da engenharia elétrica e eletrônica, o uso de monocristais está aumentando ano a ano. Peças feitas de materiais monocristalinos de alta pureza podem ser vistas em todos os novos modelos de dispositivos eletrônicos, de rádios a grandes máquinas de calcular eletrônicas.
A técnica carece de um conjunto de propriedades de cristais naturais, então os cientistas desenvolveram um complexo método tecnológico criação tipo cristal substâncias com propriedades intermediárias, por meio do crescimento de camadas ultrafinas (alguns a dezenas de nanômetros) de cristais alternados com propriedades semelhantes redes cristalinas- método de epitaxia. Esses cristais são chamados de cristais fotônicos.
Nos cristais fotônicos existem bandas de energia proibidas - esses são os valores de energia dos fótons que não podem penetrar no cristal e se dissolver nele. Se a energia de um quantum de luz tiver um valor aceitável, ele passará com sucesso pelo cristal. Ou seja, os cristais fotônicos podem fazer o papel de um filtro de luz que passa fótons com determinados valores de energia e filtra todos os outros.
Os cristais fotônicos têm 3 grupos, que são determinados pelo número de eixos espaciais nos quais o índice de refração muda. De acordo com este critério, os cristais são divididos em unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.
Um conhecido representante dos cristais fotônicos é a opala, que possui um padrão de cores incrível, que surge justamente pela existência de bandas de energia proibidas.
Os monocristais de safiras artificiais são apenas ligeiramente inferiores à dureza do diamante e têm uma alta resistência a arranhões, o que permite que sejam usados como telas de proteção dentro dispositivos eletrônicos(tablets, smartphones, etc.). A utilização do método Czochralski permite obter enormes monocristais de safiras artificiais.
Hoje em dia, os cientistas estão falando cada vez mais sobre nanocristais. Os nanocristais podem ter um tamanho de 1 a 10 nm, que depende do tipo de nanocristais, bem como do seu método de preparação. Eles são tipicamente 100 nm para cerâmica e metais, 50 nm para diamante e grafite e 10 nm para semicondutores. O tamanho dos nanocristais afeta a aparência de propriedades incomuns em substâncias familiares.
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As aplicações dos cristais na ciência e na tecnologia são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitaremos a alguns exemplos.
O mais duro e raro dos minerais naturais é o diamante. Hoje, um diamante é principalmente um trabalho de pedra, não uma decoração de pedra.
Devido à sua dureza excepcional, o diamante desempenha um papel importante na tecnologia. Serras de diamante cortam pedras. Uma serra de diamante é um grande disco de aço giratório (até 2 metros de diâmetro), nas bordas das quais são feitos entalhes ou entalhes. Pó de diamante fino, misturado com alguma substância pegajosa, é esfregado nessas incisões. Esse disco, girando em alta velocidade, corta rapidamente qualquer pedra.
O diamante é de extrema importância na perfuração de rochas e nas operações de mineração.
Ferramentas de gravação, máquinas de divisão, testadores de dureza, brocas de pedra e metal têm pontas de diamante inseridas.
O pó de diamante é usado para retificar e polir pedras duras, aço endurecido, ligas duras e superduras. O próprio diamante pode ser cortado, polido e gravado apenas com um diamante. As peças de motor mais críticas na indústria automotiva e de aviação são processadas com brocas e cortadores de diamante.
Rubi e safira estão entre as pedras preciosas mais bonitas e caras. Todas essas pedras têm outras qualidades, mais modestas, mas úteis. Rubi vermelho-sangue e safira azul são irmãos, geralmente é o mesmo mineral - corindo, óxido de alumínio. O corindo com todas as suas variedades é uma das pedras mais duras da Terra, a mais dura depois do diamante. O corindo pode ser usado para perfurar, esmerilhar, polir, afiar pedras e metais. Rebolos e pedras de amolar, pós de moagem são feitos de corindo e esmeril.
Toda a indústria relojoeira trabalha com rubis artificiais. Nas fábricas de semicondutores, os circuitos mais finos são desenhados com agulhas de rubi.
Nas indústrias têxtil e química, os guias de fio de rubi desenham fios de fibras artificiais, de kapron, de nylon.
A nova vida do rubi é um laser ou, como é chamado na ciência, um gerador quântico óptico (OQG), um maravilhoso aparelho dos nossos dias. Em 1960, o primeiro laser de rubi foi criado. Descobriu-se que o cristal rubi amplifica a luz. O laser brilha mais do que mil sóis.
Um poderoso feixe de laser tem um poder tremendo. Ele queima facilmente chapas de metal, solda fios de metal, queima tubos de aço, faz os furos mais finos em ligas duras, diamante. Lasers também são usados em cirurgia ocular. Novos cristais de laser também apareceram: fluorita, granadas, arsenieto de gálio, etc.
A safira é transparente, por isso são feitas placas para instrumentos ópticos.
A maior parte dos cristais de safira vai para a indústria de semicondutores.
Flint, ametista, jaspe, opala, calcedônia são variedades de quartzo. Pequenos grãos de quartzo formam areia. E a variedade mais bonita e maravilhosa de quartzo é o cristal de rocha, ou seja, cristais de quartzo transparentes. Portanto, lentes, prismas e outras partes de instrumentos ópticos são feitos de quartzo transparente.
As propriedades elétricas do quartzo são especialmente surpreendentes. Se você comprimir ou esticar um cristal de quartzo, cargas elétricas aparecerão em suas faces. Este é o efeito piezoelétrico em cristais.
Hoje em dia, não apenas o quartzo, mas também muitas outras substâncias, principalmente sintetizadas artificialmente, são usadas como piezelétricos.
Cristais piezoelétricos são amplamente utilizados para reprodução, gravação e transmissão de som.
Existem também métodos piezoelétricos para medir a pressão sanguínea nos vasos sanguíneos humanos e a pressão dos sucos nos caules e troncos das plantas.
Na tecnologia, um material policristalino, o polaroid, também encontrou sua aplicação.
Uma polaroid é uma fina película transparente completamente preenchida com minúsculos cristais transparentes semelhantes a agulhas de uma substância. Os filmes Polaroid são usados em óculos Polaroid. Polaroids bloqueiam o brilho da luz refletida enquanto permitem que todas as outras luzes passem. Eles são indispensáveis para os exploradores polares, que constantemente precisam observar o reflexo deslumbrante dos raios do sol no campo de neve gelada.
As lentes Polaroid ajudarão a evitar colisões de carros que se aproximam, o que muitas vezes acontece devido ao fato de que as luzes de um carro que se aproxima ofuscam o motorista e ele não vê esse carro.
Os cristais desempenharam um papel importante em muitas inovações tecnológicas do século XX.
Os dispositivos semicondutores que revolucionaram a eletrônica são feitos de substâncias cristalinas, principalmente silício e germânio. Os diodos semicondutores são usados em computadores e sistemas de comunicação, os transistores substituíram os tubos de vácuo na engenharia de rádio e os painéis solares colocados na superfície externa da espaçonave convertem a energia solar em energia elétrica.
