Kapilarita

Kapilarita – tento jev je fyzikům znám již stovky let, ale tento jev mohla využít pouze příroda. Způsobem, mluvili jsme o, ale také… krystalizace látek rozpustných ve vodě. Ke krystalizaci z roztoků využívajících kapilární jev dochází v oblastech bohatých na podzemní vodu, a zároveň horké, což podporuje odpařování vody ze země, jako kolem Mrtvého moře nebo slavného údolí smrti v Kalifornii (USA). Stejně jako když smaragdy krystalizují, voda tekoucí pod povrchem Země rozpouští některé minerály. Později, pokud jde o pouštní oblast vystavenou silnému slunci, stoupá s kapilárními kanály nahoru, v horních vrstvách se odpařuje, a látky dříve rozpuštěné ve vodě krystalizují na povrchu Země. Místo odpařené vody protéká další kapilárami atd., atd.. Tak vznikly pouštní oblasti pokryté vrstvou soli na velké ploše, a v písečných pouštích rostou „pouštní růže“” – hrudky zamotaných sádrových krystalů, tvoří charakteristické tvary podobné květu růže.

Již téměř sedmdesát let se člověk také naučil využívat fenomén kapilárních vlasů k pěstování krystalů. První, kdo přišel s touto myšlenkou, byl Polák, profesor na Varšavské technické univerzitě, Jan Czochralski, který celý svůj vědecký život věnoval výzkumu fenoménu krystalizace a získávání jednotlivých krystalů. Ž 1916 Vyvinul způsob výroby monokrystalů, který je dnes známý jako metoda extrakce krystalů z kapaliny. Tentokrát to však není voda ani jiné rozpouštědlo, pouze roztavená pevná látka, který monokrystal chceme získat. Může to být tekutý kov, roztavená kuchyňská sůl nebo roztavené jemné částice, např.. bezbarvý korund. Czochralski se zabýval hlavně monokrystaly kovů, koneckonců byl metalurgem a vyvinul svoji metodu získávání monokrystalů cínu, olovo a vizmut. Za tímto účelem ponořil do roztaveného kovu skleněnou kapiláru, kov proudí vzhůru působením kapilárních sil, a tuhnutí za vhodných tepelných podmínek vytvořilo tenkou monokrystalickou tyč.

To je však jen začátek procesu kultivace monokrystalů. Když teče malé množství kapaliny „nahoru“.” do kapiláry, kapilára stoupá do této výšky, že se jeho vývod jen dotýká povrchu kapaliny. Kov uvnitř kapiláry tuhne shora dolů, protože vyšší teplota je nižší než těsně nad hladinou kapaliny. Po nějaké době se podíl ztuhlé kapaliny zvyšuje, dosáhne kapilárního výstupu, a protože je chladnější než kapalina, způsobuje jeho krystalizaci v bezprostředním okolí. V tomto okamžiku by měl proces krystalizace skončit, protože kelímek – nádoba s kapalinou – je neustále zahříván, a kapalina v kelímku zůstává konstantní, konstantní teplota, jen mírně nad bodem mrazu.

Metoda použitá Czochralskim k extrakci kovových krystalů z kapaliny.

Pro pěstování velkých krystalů, Czochralski použil ještě jeden nápad. Když kapalina v kapiláře ztuhla až na dno kapiláry, začalo to zvedat nad hladinu kapaliny. Spolu s kapilárou a tuhnoucí uvnitř krystalizační semeno vystoupalo nahoru. Tady funguje stejný fyzikální zákon, jako při fenoménu kapilárního ochlupení a při tvorbě konkávního menisku – síly adheze kapaliny k ztuhlému monokrystalu jsou větší než síly soudržnosti kapaliny. Kapalina zvednutá nad hladinu zrcadla se dotýká vzduchu svými bočními povrchy, ochladí se a ztuhne, takže jediný krystal roste. A znovu můžeme kapiláru zvednout do určité výšky, další vrstva monokrystalu se sráží a znovu, a znovu. Předpokladem úspěchu této krystalizační metody je to, že se kapilára trochu zvedne, takový, že rozdíl mezi adhezivní a kohezní silou je menší než přitažlivá síla, to znamená, že gravitační síla kapaliny se zvedla nahoru. Ve skutečnosti v případě krystalizace metodou vytahování krystalů z kapaliny nezvedáme kapiláru jediným krystalem v krocích, ale nepřetržitě při velmi nízké rychlosti 13 dělat 40 tisíciny milimetru za sekundu, to znamená od 5 dělat 15 cm za hodinu. Velmi pomalu, ale jsme si tím jisti, že soudržnost mezi kapalinou a rodícím se monokrystalem nebude narušena, že z nás vyroste velký, obyčejný kovový krystal, polovodič nebo sůl o hmotnosti až několika kilogramů. Stejná metoda se používá k pěstování monokrystalů ušlechtilých odrůd minerálů, a mezi nimi – granáty.