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众所周知,晶体在自然环境下形成需要苛刻的形成环境和漫长的地质年代,高纯度的天然矿物结晶更是大地中的精华,往往被当作宝石受到世人珍藏。利用人工方法获得高质量的晶体很早便被我国科学家所掌握。1958年以来,中科院物理所先后研制生长出多种人工晶体,如水晶、红宝石、钛酸钡等,在这次公众科学日活动中,该所把各种晶体的生长过程作为展示内容,把公众领进一个引人入胜的晶体世界。
在一个盛满溶液的透明玻璃容器中,吊悬着一块晶莹剔透的固体晶块,科学家介绍说,这就是生长中的氯酸钠人工晶体。最初,我们把一小块氯酸钠晶体作“籽晶”,放到与其成分相同的饱和溶液中,然后逐渐降低溶液的温度,溶液就呈现出过饱和状态,氯酸钠晶体不断从溶液中析出,在籽晶表面上集结生长,籽晶就会渐渐长得越来越大。这有点儿象珍珠的形成过程,籽晶就相当于落入蚌壳里的一粒沙,慢慢析出的晶体就相当于包裹沙粒的珍珠质,只要条件稳定,珍珠就会变大。人工晶体的生长也是如此,由于其环境是在人工调节下形成的,比自然界中的环境稳定得多,因此人工晶体比天然晶体其内部结构要优化得多。
科学家还介绍了人造水晶的的生长过程,天然水晶是纯净的二氧化硅结晶,用廉价的二氧化硅原料在坩埚中加热融化,将籽晶的一头放入炽热的熔液中慢慢提拉,二氧化硅就会从籽晶的一头生长起来,我们就能得到高纯度的人造水晶了。人造红宝石也是如此,天然红宝石是自然状态下结晶的三氧化二铝,由于铬元素的加入,呈现出美丽的红色。用上述提拉法生产出的红宝石硬度和光学效应与天然红宝石相同,可以取代昂贵的天然宝石制作各种耐磨轴承和激光器,而纯净的人造水晶具有良好的压电性,在受到压力后,其表面电荷会产生变化,常被用于各种精密仪器的制备中。
一台显微镜,连接一台投影仪,把镜下的世界投射到幕布上,就能生动形象地介绍物质在高压下结晶的过程,科学家把一滴水放到压床上,给它加上1万个大气压力,突然,水凝结成颗颗棱角分明的冰晶,这种冰由于是在常温下用加压的方式获得的,其表面温度并不低,因此称之为高压热冰,这样的实验生动地揭示出物质的一种相变过程。金刚石的形成与之相似,由于金刚石和石墨的成分都是碳,因此把石墨加压到4万到5万个大气压时,碳的结构发生了改变,金刚石就从石墨中“变”了出来。你看,不长的时间,简单的实验,揭示出的却不是简单的道理。(段煦 文/摄影)
同学们在观看人工晶体展示
观看人工晶体生长
生长中的氯酸钠晶体
提拉法生产出的人造红宝石
这是制造磁性氧化物单晶的熔焰炉
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GMT+8, 2024-11-1 07:16
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