12.02.2015

Иркутские ученые намерены синтезировать горный хрусталь

Ученые Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН реализуют ряд проектов по синтезу новых оптических материалов. Как сообщил научный сотрудник лаборатории лазерных систем и технологий института, кандидат физико-математических наук Андрей Кузаков, один из проектов в перспективе направлен на синтез горного хрусталя. «Мы занимаемся выявлением закономерностей образования чистого кварца в земной коре и изучением его оптических свойств. Процесс интересен из сугубо практических соображений: кварцевое стекло имеет хороший спектр пропускания, при этом обладает химической стойкостью», - пояснил Андрей Кузаков.

Кварцевое стекло - это однокомпонентное стекло, получаемое из кварцевого песка высокой степени чистоты. В природе кристаллический чистый кварц (горный хрусталь) образовался миллионы лет назад при очень специфических условиях. Этот аморфный материал в промышленных условиях пока получить не удается. В автоклавах гидротермальным способом получают только полудрагоценные производные кварца, которые содержат оксид алюминия, оксид железа и ряд других примесей. Трудности воспроизводства горного хрусталя связаны с его однокомпонентностью. «Когда вещество имеет в своем составе малое количество разновидностей атомов, его релаксация даже при очень высоких температуре и давлении крайне замедленна. Поэтому кварцевое стекло из-за кинетического барьера не может перейти в горный хрусталь», - пояснил Андрей Кузаков.

Иркутские ученые изучают закономерности получения горного хрусталя с помощью метода стохастического моделирования материалов. «Почему стекла с различным составом шихты являются предметом повышенного интереса со стороны ученых всего мира? Дело в том, что при изучении этой темы активно развивается само стохастическое моделирование», - рассказал Андрей Кузаков. Ученый заметил, что в России отношение к этому методу можно назвать скептическим. Это связано с тем, что большая часть теоретиков, специалистов в области разработки программных алгоритмов расчета таких задач, как стохастическое моделирование, уехали из России. Вторая причина, по мнению Андрея Кузакова, научно-политическая. «Прагматический подход к науке, господствующий сейчас, диктует действия по такому алгоритму: задай определенные условия и получи определенный результат. А стохастическая модель подразумевает вероятностный подход, так как начальные условия крайне разнообразны. На сегодня это единственный подход теоретического моделирования структуры и релаксации аморфных материалов», - пояснил научный сотрудник.

Использование стохастического моделирования может дать ученым инструмент для предсказания свойств материала и процесса его получения в реальных промышленных условиях. «Чтобы заниматься стохастическим моделированием, необходим огромный объем расчетных данных, мощное оборудование. Финальный результат релаксации труднодостижим, так как аморфное состояние вещества само по себе является метастабильным. Тем не менее, это модель тех процессов, которые происходили миллионы лет назад, и стохастическое моделирование способно приблизить нас к их пониманию. Именно с его помощью можно разработать новые составы оптических материалов, актуальных для применения», - подчеркнул Андрей Кузаков.

Ученый заметил, что наибольший интерес с точки зрения оптики представляет горный хрусталь не сам по себе, а как основа для примесей и модификаторов. «В этом случае мы можем получить действительно очень интересный результат по оптическим материалам», - отметил исследователь.

Справка:

Горный хрусталь прозрачен для ультрафиолетовых лучей до длины волны 180–200 нм. Благодаря своим оптическим свойствам горный хрусталь применяется для изготовления призм для спектрографов, монохроматоров, линз. Кварц, и горный хрусталь в частности, обладает пьезоэлектрическими свойствами, т. е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Этот эффект напрямую связан с точностью расположения граней кристалла. Есть и обратный пьезоэлектрический эффект: если через кварц пропустить переменный ток, то кристалл порождает колебания с частотой, соответствующей его резонансной частоте. Благодаря этим свойствам кварц широко применяется в радиотехнике и электронике - в стабилизаторах частоты, всевозможных фильтрах, резонаторах, мониторах и др. Горный хрусталь обладает высокой теплопроводностью, что позволяет ему переносить резкие перепады температур. Это качество обусловлено высокой температурой плавления кварца - от 1700 до 2300 градусов. Кроме того, он устойчив при температуре ниже 870 градусов. Искусственно выращенные особо чистые модификации кварца активно используется в микросхемах. Сегодня ученые видят перспективы в создании компьютера на основе оксида кремния.

Источники:

1. baikal24-nauka.ru