Włoskowatość

Włoskowatość – zjawisko to znane było fizykom od setek lat, ale wykorzystać to zjawisko potrafiła tylko przyroda. W sposób, o jakim mówiliśmy, ale również do… krystalizacji substancji rozpuszczalnych w wodzie. Krystalizacja z roztworów z wykorzystaniem zjawiska włoskowatości zdarza się na obszarach obfitych w wody podziemne, a równocześnie gorących, co sprzyja parowaniu wody z gruntu, jak w okolicach Morza Martwego czy słynnej Doliny Śmierci w Kalifornii (USA). Podobnie jak podczas krystalizacji szmaragdów, woda płynąc pod powierzchnią ziemi rozpuszcza w sobie jakieś minerały. Później, gdy trafia w rejon pustyni poddany silnemu działaniu słońca, unosi się kapilarnymi kanalikami do góry, w górnych warstwach odparowuje, a na powierzchni ziemi krystalizują substancje rozpuszczone wcześniej w wodzie. Na miejsce odparowanej wody kapilarami dopływa następna itd., itd. W taki właśnie sposób powstały obszary pustynne pokryte na znacznej powierzchni warstwą soli, a na piaskowych pustyniach „rosną” „róże pustyni” – bryły splątanych kryształów gipsu, tworzące charakterystyczne formy podobne do kwiatu róży.

Od prawie siedemdziesięciu lat również człowiek nauczył się wykorzystywać zjawisko włoskowatości do hodowli kryształów. Pierwszym, który wpadł na ten pomysł, był Polak, profesor Politechniki Warszawskiej, Jan Czochralski, który całe swoje naukowe życie poświęcił badaniu zjawiska krystalizacji i otrzymaniu monokryształów. W 1916 roku opracował metodę wytwarzania monokryształów, która dziś znana jest jako metoda wyciągania kryształów z cieczy. Tym razem nie jest to jednak woda ani żaden inny rozpuszczalnik, tylko roztopione ciało stałe, którego monokryształ chcemy otrzymać. Może to być ciekły metal, roztopiona sól kuchenna lub roztopione drobne odłamki, np. bezbarwnego korundu. Czochralski zajmował się głównie monokryształami metali, był przecież metaloznawcą i swoją metodę opracował dla uzyskania monokryształów cyny, ołowiu i bizmutu. W tym celu zanurzał w stopionym metalu szklaną kapilarę, metal pod wpływem sił kapilarnych wypływał do góry, a krzepnąc w odpowiednich warunkach cieplnych tworzył cienki monokrystaliczny pręcik.

Jest to jednak dopiero początek procesu hodowania monokryształów. Gdy niewielka ilość cieczy wypłynie „do góry” do wnętrza kapilary, kapilarę unosi się na taką wysokość, aby jej wylot zaledwie dotykał powierzchni cieczy. Metal wewnątrz kapilary krzepnie od góry w dół, gdyż wyżej temperatura jest niższa niż tuż nad lustrem cieczy. Po pewnym czasie zakrzepnięta porcja cieczy rośnie, osiąga wylot kapilarny, a ponieważ jest zimniejsza od cieczy, powoduje jej krystalizację w najbliższym sąsiedztwie. W tym momencie proces krystalizacji powinien się skończyć, gdyż tygiel – naczynie z cieczą – jest ciągle ogrzewany, a ciecz w tyglu zachowuje stałą, niezmienną temperaturę, nieznacznie tylko wyższą od temperatury krzepnięcia.

Metoda stosowana przez Czochralskiego do wyciągania z cieczy kryształów metali.

Aby wyhodować duże kryształy, Czochralski zastosował jeszcze jeden pomysł. Gdy ciecz w kapilarze zakrzepła aż do dolnego wylotu kapilary, zaczynał ją unosić ponad poziom cieczy. Razem z kapilarą i zakrzepniętym wewnątrz niej zarodkiem krystalizacji unosiła się do góry ciecz. Działa tu to samo prawo fizyczne, jak w zjawisku włoskowatości i podczas tworzenia się menisku wklęsłego – siły przylegania cieczy do zakrzepniętego monokryształu są większe niż siły spójności cieczy. Uniesiona ponad poziom lustra ciecz styka się swoimi bocznymi powierzchniami z powietrzem, jest chłodzona i krzepnie, a więc rośnie monokryształ. I znowu możemy podnieść kapilarę na pewną wysokość, zakrzepnie następna warstwa monokryształu i znowu, i znowu. Warunkiem powodzenia tej metody krystalizacji jest unoszenie kapilary na niewielką wysokość, taką, aby różnica między siłami przylegania a siłami spójności była mniejsza niż siła przyciągania, czyli siła ciężkości cieczy uniesionej do góry. W rzeczywistości przy krystalizacji metodą wyciągania kryształów z cieczy nie unosimy kapilary z monokryształem skokowo, lecz w sposób ciągły z bardzo małą prędkością 13 do 40 tysięcznych milimetra w ciągu sekundy, czyli od 5 do 15 cm w ciągu godziny. Bardzo wolno, ale za to mamy pewność, że nie nastąpi zerwanie spójności między cieczą a rodzącym się monokryształem, że wyhodujemy duży, regularny kryształ metalu, półprzewodnika lub soli o wadze do kilku kilogramów. Tą samą metodą hodujemy monokryształy szlachetnych odmian minerałów, a wśród nich – granaty.