Наперегонки с природой

Синтез кристобалита и тридимита впервые осуществил американец К. Н. Феннер в 1913 г. Сначала он проделал большую работу по определению условий существования этих минералов. Кристобалит образовывался при прокаливании кварцевого стекла или геля кремневой кислоты при температурах около 1600 К. Потом выяснилось, что искусственные тридимит и кристобалит образуются сами по себе в доменных шлаках, стеклах, динасовых кирпичах. Температуры плавления новых модификаций кремнезема оказались равными 1950 (тридимит) и 1990 К (кристобалит). Крупных кристаллов не получил никто.

В своих работах Феннер показал, что тридимит и кристобалит можно получить нагреванием кварца при атмосферном давлении. Возник законный вопрос: а что будет, если к температуре добавить высокое давление? Не уплотнится ли структура, не возникнет ли новая модификация кремнезема? Таким вопросом задался Л. Коэс. Взяв сухой силикат натрия (обыкновенный канцелярский клей), он сдавил его с силой 3,5 ГПа. Получилось новое вещество. Оно оказалось необыкновенно устойчивым и не растворялось даже в плавиковой кислоте. По имени создателя новую модификацию кремнезема назвали коэситом. Это произошло в 1953 г.

Стремясь создать как можно более высокое давление, Коэс пропустил другую разновидность кремнезема. Ровно через год ее обнаружил другой американский ученый Д. Д. Кит. При температурах 650-860 К и давлениях 3,5-126 МПа он синтезировал китит. Еще через три года советский ученый Н. И. Хитаров с сотрудниками повторил синтез коэсита. Под микроскопом минерал выглядел в виде правильных прозрачных пластинок размерами до 0,7 мм. Вскоре было подтверждено существование китита.

Тут возникло затруднение, связанное с традициями в минералогии. Тридимит и кристобалит существуют в природе, поэтому против их названий никто не протестовал. А вот китит и коэсит некоторое время были "вне закона". - Что это за минералы, - говорили крючкотворы и бюрократы от минералогии, - если их нет в природе? Мало ли что синтезированы! Мало ли что они могут быть найдены в земной коре! Вон химики каждый год синтезируют по сотне новых соединений. Что же - им тоже присваивать благородные минералогические имена? Вы что?!

К счастью, ученые примерно знали, где искать коэсит и китит - в породах, ощутивших дьявольские давления и температуры. Метаморфизованные породы не подходили. Там хватало давлений для образования гранатов и гнейсов, но не китита. Где же еще?.. И тут вспомнили про Каньон Дьявола.

В американском штате Аризона на высоком плоскогорье, сложенном песчаниками и известняками, раскинулся кольцевой каменный вал. Внутри него воронка диаметром 1200 м и глубиной 180 м. Пять тысяч лет назад здесь упал гигантский метеорит (или астероид). Взрыв был чудовищный! В южной части Каньона Дьявола каменная плита длиной 500 м была поставлена вертикально, обломки скал весом до 700 т разбросаны вокруг кратера на расстоянии до 10 км. Дно кратера заполнено тончайшей известковой и кварцевой пылью вперемешку с частицами никелистого железа.

На Каньон Дьявола обратили внимание еще в 1891 г. Решили, что на некоторой глубине может обнаружиться сам метеорит из чистейшего железа. Дело приобретало коммерческий оборот. Заложили скважину, дошли до глубины 410 м и сломали алмазную коронку. Ничего не нашли и бросили это слишком дорогое мероприятие. Так вот, именно в Каньоне Дьявола в 1960 г. среди мелких зерен кварца и кварцевого стекла нашли китит и коэсит! Затем эти минералы были обнаружены в Баварии близ кратера Рискессел.

- Вот теперь, - вынуждены были согласиться бюрократы, - возражении нет. Можете называть китит кититом, а коэсит - этим... как его... - коэситом.

Крючкотворы не знали, что их ждут новые испытания.

В 1961 г. советские ученые С. М. Стишов и С. В. Попова создали установку, имитировавшую Каньон Дьявола во время первого попадания астероида. При температуре 1500-1700 К давление достигло 17 ГПа (170 тыс. атм). При этом атомы кварца и кислорода настолько сблизились, что образовали новую модификацию кремнезема. Кристаллохимические исследования показали, что каждый атом кремния окружен не четырьмя, а шестью атомами кислорода! Это был качественно новый кремнезем!

Американские ученые по проторенной дорожке спустились в Каньон Дьявола и после недолгих поисков нашли новый минерал среди кварцевого стекла (лешательерита) и кварца в песчаниках пермского возраста. Самая твердая и тяжелая модификация кремнезема была названа стишовитом - в честь советского ученого-первооткрывателя.

По данным Американской энциклопедии наук о Земле, коэсит образуется на глубине 100-300 км. На еще больших глубинах стабильной формой кремнезема является стишовит (а может быть, еще более плотная модификация). В алмазоносных породах Южной Америки и Якутии найдены образцы, поднятые магмой с большой глубины. В них вместе с гранатом и пироксеном встречены кристаллы коэсита, частично перешедшие в кварц. Размеры их достигают 3 мм. Эти находки свидетельствуют о том, что алмаз образовался в условиях высоких давлений на большой глубине вместе с коэситом. Затем магма быстро подняла их на поверхность, и они не успели перейти в устойчивые модификации - графит и кварц.

Кроме магматических пород, коэсит также присутствует в породах метаморфизованных. Причиной метаморфизма является либо падение крупного метеорита (как в Каньоне Дьявола), либо очень крупный неядерный или ядерный взрыв. Присутствие в породе еще и стишовита является однозначным свидетельством метеоритного удара или взрыва атомной бомбы.

Вот так соприкоснулись две противоречивые сферы деятельности человека: созидание и разрушение. С одной стороны, стишовит - удивительное творение человеческих рук, с другой - огненный гриб. Как бы их разъединить? Как сделать так, чтобы минералы росли в лабораториях, а не в пепле Хиросимы?..

Пока мы разбирались со стишовитом, опять завозились бюрократы от минералогии. Опять они недовольны:

- Почему обыкновенное кварцевое стекло вы называете лешательеритом? Конечно, мы очень уважаем французского ученого Анри Ле Шателье, который разработал пирометр для измерения высоких температур и сконструировал металлографический микроскоп. Но причем здесь кварцевое стекло, разве в природе оно бывает?

Оказывается, бывает. Во-первых, оно образуется при ударе молнии в кварцевый песок. Во-вторых, опять же при падении метеоритов. Искусственный лешательерит получают при охлаждении расплавленного при 1983 К кварца. В особых условиях можно получить лешательерит экзотических форм.

В 1961 г. две группы американских ученых получили лешательерит в виде тонких волокон и нитей. Одни продували сухой азот над пластиной кварца, нагретой до 1700 К. Вторые экспериментировали со смесью газов фтористого кремния, воды и азота при температуре 1370 К. В 1981 г. нитевидный лешательерит получили и во ВНИИСИМСе.

Стекло является основой синтетического гранита - сиграна, выпускаемого на Калужском стекольном заводе. Шихту составляют из доменного шлака и оксидов различных металлов. Причем шлак берут из соседней Тульской области. Металлурги довольны: до этого шлак ссыпали в отвалы - терриконники, которые пейзажа отнюдь не украшали. Шихту плавят при температурах 1720-1770 К, соблюдая при этом ряд технологических тонкостей. Из полученной искусственной магмы формируют плитки. Далее идет самый ответственный процесс - кристаллизация. В природных условиях гранитный массив охлаждается достаточно медленно, что дает возможность кристаллам кварца, полевых шпатов, слюды встать на свои места и создать характерную гранитную структуру. В заводских условиях кристаллизация происходит в двухъярусной печи длиной почти 30 м. За считанные часы в отформованных плитках зарождаются и растут сферолиты (небольшие шарики), составленные из очень тонких игольчатых кристаллов.

На Калужском стекольном заводе изготавливают плитки сиграна с причудливым рисунком на отполированной поверхности. Сигран похож на гранит, но превосходит его по некоторым физико-механическим свойствам. Он не впитывает влагу, устойчив к агрессивным средам, обладает значительной твердостью. Это прекрасный строительный и облицовочный материал. Освоен выпуск цветного сиграна. При введении в шихту оксида кобальта получается голубой тон, хромпик дает зеленый оттенок, сера - желтый.