Искусственный кварц

В 1880 г. с помощью кварца, правда, природного и крупнокристаллического, было сделано одно из основополагающих открытий в физике. Плоскопараллельные пластинки, вырезанные из кварца и некоторых других кристаллов (сегнетовой соли, например), весьма необычно ведут себя под действием внешней нагрузки. Если такую пластинку сжать или растянуть, на противоположных ее сторонах накапливаются разноименные электрические заряды.
По сути дела, такая пластинка преобразует механическую энергию в электрическую. И, наоборот, под действием переменного тока кварцевая пластинка начинает вибрировать с очень большой частотой, порождая в упругой среде ультразвуковые колебания. Эти явления получили названия пьезоэлектричества и электрострикции.

Пьезоэлектричество открыто двумя молодыми, в то время еще совсем неизвестными учеными — братьями Пьером и Жаком Кюри. Одному из них — Пьеру суждено будет войти в историю науки и как первооткрывателю двух новых радиоактивных элементов: полония и радия.

«Великолепное экспериментальное явление пьезоэлектричества» довольно долго ждало своего часа — часа практического использования. Лишь в годы первой мировой войны выдающийся французский физик Поль Ланжевен сконструировал первый ультразвуковой локатор. Главной деталью этого прибора была пластинка, вырезанная из природного пьезокварца — горного хрусталя...

А еще раньше, в 1905—1909 гг., был сделан следующий шаг на пути к синтетическому горному хрусталю. Используя перегретые до 220—340 °С водные растворы Na2SiO3 и NaCl, итальянец Г. Специа сумел получить слой прозрачного кварца толщиной около сантиметра. Опыт продолжался непрерывно около полугода.

Государственные кварцевые заводы появились не «через несколько десятилетий». Они уже существуют, и довольно давно.

Работы по синтезу кварца в нашей стране начались в 1939 г. Их инициатором был академик Алексей Васильевич Шубников, а первым руководителем — профессор Николай Наумович Шефталь. Война задержала исследования, они завершились лишь в 1951 г., когда появилась опытная аппаратура для выращивания кристаллов кварца из растворов. Около 800 кристаллов кварца вырастили в Институте кристаллографии Академии наук. Лучшие кристаллы отобрали и распилили, чтобы сделать из них резонаторы для радиостанций. Испытания показали, что искусственный кварц ни в чем не уступает лучшим сортам природного.

В 1954 г. началась разработка промышленных методов синтеза различных монокристаллов, в первую очередь, кварца, а уже через три года были выпущены первые промышленные кварцевые кристаллы. Сегодня искусственный кварц приобрести так же просто, как и купить кружева оптом в любом специализированном магазине. Сейчас в России производится в промышленных масштабах радиокварц (он же пьезокварц), оптический кварц и ювелирные полудрагоценные камни на основе кварцевых монокристаллов — их цвет и степень прозрачности зависят от вводимых добавок.

Монокристаллы кварца растут в автоклавах, куда помещают мелкокристаллический жильный кварц или чистый речной песок. Аппараты заполняют концентрированным раствором соды, а к крышкам привешивают затравки — тонкие пластинки, вырезанные из монокристалла природного или синтетического кварца. Аппараты герметически закрывают и нагревают до 350—400 °С. При этом в них развивается значительное давление и образуется насыщенный раствор кремнезема. Раствор все время циркулирует.

Однако нагрев ведут таким образом, чтобы в верхней зоне автоклава, где расположена затравочная пластинка, температура была на 15—20 °С ниже, чем внизу. Поэтому здесь раствор оказывается пересыщенным, и затравка как бы «выбирает» из него двуокись кремния.

Скорость роста кристалла — от 0,3 до 1 миллиметра в сутки. В этих пределах ее можно менять, варьируя условия синтеза. Размеры образующегося кристалла зависят только от времени и площади затравочной пластинки. Очень важно, чтобы в течение всего синтеза — как бы длителен он ни был — условия оставались строго постоянными. Каждое отклонение — это дефект в кристалле, обычно неустранимый.

Сейчас получают кристаллы радиокварца практически любых масс и размеров, хотя в кристаллах больше двух-трех килограммов необходимости почти не бывает.

Производство синтетического кварца позволило отказаться от импорта горного хрусталя для нужд радиотехники. В последние годы российские кристаллографы научились выращивать и оптический кварц с лучшими, чем у природного, свойствами.

Одно из важных преимуществ синтетического кварца перед природными — его высокая радиационная устойчивость. К тому же, после организации массового производства искусственный кварц стал обходиться в несколько раз дешевле, чем природный горный хрусталь...

Что к этому можно добавить? Пожалуй, немногое.
Искусственным путем при высоких давлениях получены более плотные и тяжелые, чем горный хрусталь, разновидности кварца. Первую из них в 1953 г. получил французский ученый Коэс. Плотность обычного кварца — 2,65, плотность коэсита — 3,01. Семь лет спустя ученые С. М. Стишов и С. В. Попова, работавшие под руководством академика Верещагина, сумели получить еще более тяжелый кварц, названный стиповеритом (по первым слогам фамилий авторов открытия). Стиповерит образовался при температуре 1600 °С под давлением 115—145 -108 паскалей. Сырьем служили обычный кварц и аморфный кремнезем. Если по составу стиповерит и кварц—аналогичны, то по кристаллической структуре они отличаются очень сильно. Высокие давления способны передвинуть атомы даже в прочных кристаллах.

Позже коэсит и стиповерит были найдены в природе — среди песчаников в стенах кратера, образовавшегося после падения большого метеорита в штате Аризона (США). Повторилась история с карборундом, который тоже сначала получили искусственно...