Кристаллы из аргона

С кристаллами, или застывшими многогранниками, человек сталкивается постоянно. При этом кроме природных минералов, существуют кристаллы, выращенные искусственным путём. Вырастить небольшой кристалл (например, соли) можно даже в домашних условиях. Но создать кристалл с заданными свойствами можно только при помощи специального оборудования. Это, прежде всего, касается монокристаллов, которые в природе не встречаются. Для их получения нужен целый ряд условий, в том числе и определённая среда.

В 1892 г французский исследователь Огюст Вернейль открыл простой и доступный метод выращивания кристаллов с помощью водорода и кислорода без контейнера. Используя технологию Вернейля, можно было за 2-3 часа получить синтетический рубин величиной в 20-30 карат. С 1902 года его метод стали использовать в ювелирной промышленности и приборостроении сначала во Франции, а затем и в других странах. Но у метода был ряд существенных недостатков, связанных с использованием для получения кристаллов окислительно-восстановительной среды. Во-первых, выращенные кристаллы получались невысокого качества. Во-вторых, работать можно было только с некоторыми видами материалов. И, наконец, были выявлены большие потери конечного продукта.

Тем не менее, метод Огюста Вернейля активно использовался до начала 50-х годов. Затем он был усовершенствован. В качестве среды для получения кристаллов стал применяться аргон. Выбор пал на этот газ-лентяй из-за его свойства не вступать в химическую реакцию с другими веществами. Через кварцевые трубки горелки пропускали 3 газовых потока. Основным из них был заряженный поток аргона. Пудра исходного вещества попадала в кристаллизатор на поверхность растущего кристалла. Благодаря инертной среде, созданной аргоном, удалось получить монокристаллы очень высокой чистоты. Кроме того, значительно расширился ассортимент материалов, из которых можно было их выращивать.

В 1916 г польский химик Ян Чохральский открыл новый метод выращивания монокристаллов в атмосфере аргона. С помощью его метода можно было работать с большими объёмами исходного материала и получать не только искусственные драгоценные камни, но и полупроводники (например, кремний и германий).

Для выращивания монокристалла по методу Чохральского необходима специальная установка. Она состоит из печи, механизма вытягивания кристалла, устройства для регулирования атмосферы и блока управления. В такую установку можно одновременно загрузить от 12 до 30 кг исходного материала. Аргон при атмосферном или повышенном давлении поступает в камеру, где находится расплавленный металл. При этом нейтральная среда аргона не только позволяет получить материал высокого качества, но и снижает интенсивность его испарения. В очищенный расплав затем вводится стержень-затравка, и вытягивается слиток заданного размера. К качеству самого аргона также предъявляются определённые требования. Он должен быть максимально высокой чистоты и содержать лишь ничтожное количество влаги и примесей, в том числе углеводородов.

Научная мысль не стоит на месте, поэтому, как бы ни был хорош метод Чохральского, он с течением времени усовершенствовался. В частности, О.А.Ремизов и Н.М. Караваев предложили изменить расход аргона и давление на разных стадиях процесса выращивания кристалла кремния. В результате получился слиток ещё более высокой чистоты, с минимальным содержанием углерода.
Ещё дальше пошли Ю.Л.Стерник и И.Н.Зайцев. Они придумали собственный аппарат для выращивания монокристаллов, в частности сапфира, в нейтральной атмосфере. В данной установке аргон нужен для ускорения процесса охлаждения уже готового кристалла. Его подают в камеру через запорный вентиль, установленный на вакуумной системе.

И, наконец, нельзя не упомянуть о способе получения искусственных кристаллов из газовой фазы. В этом процессе аргон также играет далеко не последнюю роль. Именно в потоке этого благородного газа происходит кристаллизация вещества, поступающего к растущему слитку в виде пара. Этот метод получил широкое распространение, так как с его помощью можно получить как кристаллы большой массы, так и тонкие пластины и плёнки.
Как видим, выращивание искусственных кристаллов с использованием аргона имеет массу бесспорных преимуществ.

Во-первых, его стоимость невысока, поэтому аргон выгодно применять в промышленных масштабах. Так, для получения 1 кг искусственных кристаллов требуется около полутора тысяч литров аргона. Понятно, что дорогой газ было бы применять просто нерентабельно.

Во-вторых, благодаря инертности, он не вступает в химическую реакцию с другими веществами. В результате выращенные в атмосфере аргона кристаллы не будут содержать посторонних примесей.

В-третьих, аргон превращается в жидкость и кристаллизуется при очень низкой температуре, поэтому он может быть использован во время процессов, требующих глубокого охлаждения (до -185 градусов).

И, наконец, в настоящее время разработана эффективная система химической очистки аргона. А для получения качественного монокристалла необходим газ только высшего сорта.
Следует отметить, что одним из ведущих поставщиков аргона особой чистоты является компания «DP Air Gas». Каждый производитель искусственных кристаллов на территории Украины, а также в странах СНГ и Евросоюза, без сомнения, найдёт для себя аргон необходимого качества среди продукции, предлагаемой компанией.

Интересно, что современная промышленность производит аргон только в жидком и газообразном состоянии. Но, оказывается, он не только может быть использован в качестве среды для получения синтетических кристаллов, но и сам имеет способность к образованию кристаллов, получивших название клатраты, или кристаллические гидраты. Они имеют кубическую форму и содержат в своей структуре 46 молекул воды.

При образовании клатратов молекулы веществ, имеющих в своих решётках полости, принимают в них молекулы аргона. Впервые это явление было описано французским химиком Вийаром в 1896 г, когда он проводил кристаллизацию воды в атмосфере аргона. Ar•6H2O на сегодняшний день изучен наиболее подробно.

В 2000 г финскими учёными было открыто ещё одно соединение включения – гидрофторид аргона HArF. Но добиться устойчивости этого гидрата учёным пока не удалось.
Кроме того, спектральный анализ даёт исследователям основания предполагать, что возможно получение ещё одного соединения – CU(Ar)O. Оно будет представлять собой сочетание аргона, урана и фтороводорода.