2. Получение монокристаллов из расплавов

Из расплава можно получить монокристаллы металлов и некоторых минералов, расплавляющихся при нагревании до температуры плавления без разложения; например, из расплава получают флюорит. Известно много методов для выращивания монокристаллов из расплава: лучшие из них используют принцип направленной кристаллизации, заключающейся в том, что охлаждение расплава, а следовательно, и его затвердевание осуществляют в одном центре; обычно для этой цели используются тигли с коническим дном или специальные холодильники. Если кристаллизацию ведут в тигле с коническим дном, то после расплавления в нем вещества, охлаждение тигля начинают с конического дна. При этом в капилляре конуса дна зарождается и выживает в процессе роста, как правило, один кристалл, который и продолжает расти при дальнейшем охлаждении тигля.

Конический тигель можно охлаждать различными методами. По методу английского ученого Бриджмена тигель с расплавом медленно пропускается через вертикальную электрическую печь и постепенно из нее выводится; микрокристалл зарождается в конусе тигля и, разрастаясь в процессе его охлаждения, заполняет собой весь тигель. По методу И. В. Обреймова и Л. В. Шубникова тигель с расплавом охлаждается с его конической части струей холодного воздуха. В случае применения для направленной кристаллизации специальных охлаждающих приборов наибольшее распространение получили метод Киропулуса и Стронга. По методу Киропулуса кристаллизация вещества из расплава осуществляется на кончике длинного цилиндрического холодильника, вставляемого на несколько миллиметров в верхнюю часть расплава. Путем соответствующей регулировки степени нагрева тигля и интенсивности охлаждения конуса холодильника постепенно выкристаллизовывается монокристалл. По методу Стронга охлаждение расплава в коническом тигле осуществляется по специальному режиму снизу при помощи массивного металлического холодильника. Этот метод позволяет получать монокристаллы больших размеров.

Интересен метод получения монокристальных металлических нитей, предложенный Чохральским, путем постепенного вытягивания из расплава монокристалла, который первоначально получают на кончике холодного стеклянного или металлического стержня, погруженного в расплав.

Из расплава можно получить монокристаллы веществ, не растворимых в каких-либо растворителях. По методу Бриджмена получали монокристаллы серебра, меди, алюминия и других металлов. По методу И. В. Обреймова и Л. В. Шубникова получали монокристаллы олова, магния, висмута, кадмия и других металлов. Оба метода используются для получения монокристаллов галоидных солей щелочных металлов.

В случае когда вещество имеет очень высокую температуру плавления и невозможно подобрать подходящий материал для тигля, применяют бестигельный метод получения монокристаллов, предложенный впервые в 1902 г. Вернейлем. Сущность этого метода заключается в том, что вещество, предназначенное для кристаллизации, размельчают до состояния пудры и небольшими порциями пропускают через пламя гремучего газа. Расплавленный материал собирается в низу печи в виде "бульки". Таким методом получают рубин, сапфир, александрит, лейкосапфир и некоторые другие драгоценные камни.

Метод Вернейля был усовершенствован в Советском Союзе С. К. Поповым, который разработал установку (СП-4), позволяющую получить кристаллы рубина в виде стержней диаметром в 2-3 мм с большой скоростью роста. Стержни рубина такого диаметра необходимы для изготовления часовых камней. Установка СП-4 снабжена специальными механизмами для подачи шихты (в зону реакции) и постепенного вывода кристалла из зоны высокой температуры. На рисунке 24 представлена фотография кристаллизационного аппарата СП-4.

Природные кристаллы драгоценных камней имеют обычно непривлекательный вид. Форма их не выявляет присущую им красоту, и потому драгоценные камни не применяются в естественном виде, а подвергаются соответствующей обработке - огранке.

При огранке камням придается наиболее выгодная форма, позволяющая обнаружить все их достоинства в последующей шлифовке и полировке. Ценность драгоценных камней заключается главным образом в "игре" света, и поэтому от искусства гранильщика зависит многое в выявлении красоты, скрытой в камне. С этой целью в каждом конкретном случае для камня подбирается соответствующая, наиболее удачная для него форма огранки. В связи с этим существует очень много форм огранок камней, которые подразделяются на чистые, комбинированные и смешанные формы.

К чистым формам огранки относятся: бриллиантовая, розой, ступенчатая, клиньями и кабашоном. На рис. 7 показаны чертежи этих форм.

Рис. 7. Основные формы огранки драгоценных камней: 1 - бриллиантовая шлифовка: а - вид сбоку; б - вид сверху, в - вид снизу; 2 - огранка клиньями; 3 - шлифовка роза; 4 - ступенчатая шлифовка: а - квадрат; б - прямоугольник; 5 - кабашоны: а - ординарные - могут быть с низким и высоким верхом, с круглой, овальной и чечевичной базой; б - с плоским верхом - могут быть круглые, овальные, квадратные и прямоугольные; в - двойные - могут быть с высоким верхом, с высоким низом и симметричные

Бриллиантовая огранка применяется для шлифовки алмаза, горного хрусталя, циркона, турмалина, топаза, иногда изумруда и рубина. Этот вид огранки придает камню максимальный блеск и игру света. Для бриллиантовой огранки употребляются алмазы величиной от 0,0025 карата и до максимального размера. Кристаллы горного хрусталя и топаза ограняют обычно величиной в 0,5 карата и больше.

Наиболее употребительную форму огранки алмазов - бриллиантовую - предложил Людвиг Беркэм в 1456 г. С тех пор эта огранка претерпела значительные усовершенствования. Первоначально в единичной бриллиантовой огранке вокруг нижней и верхней площадки имелось всего 16 граней; затем появилась двойная бриллиантовая огранка с 32 боковыми гранями, расположенными вокруг площадки в два ряда. В настоящее время применяют тройную бриллиантовую огранку с 56, 64 или 88 гранями (огранка XX века). При тройной бриллиантовой огранке игра света значительно усиливается.

В бриллиантовой огранке углы между гранями располагаются таким образом, чтобы параллельный пучок света, падающий на площадку и боковые грани, испытывал в бриллианте полное внутреннее отражение; отраженный бриллиантом свет вследствие большой дисперсии света в алмазе состоит из монохроматических лучей, составляющих солнечный спектр.

Огранка кабашоном используется для обработки бирюзы, сапфиров, изумрудов, опала, лунного камня, яшмы, иногда рубинов и других камней.

Огранка клиньями применяется для отделки поделочных камней, таких, например, как ляпис-лазурь, агат, яшма и др.

Ступенчатая огранка в форме квадрата, прямоугольника, ромба с любым числом ступеней используется для обработки прозрачных цветных камней, изумрудов, гранатов, гиацинтов, иногда - рубинов и сапфиров.

Комбинированная огранка возникает при смешанном применении описанных выше чистых форм огранки.

Комбинированные и специальные формы огранок весьма многообразны, они могут быть применены к разнообразным драгоценным и поделочным камням, в зависимости от индивидуальных особенностей данного камня.