Kapillaritet

Kapillaritet – dette fænomen har været kendt af fysikere i hundreder af år, men kun naturen kunne gøre brug af dette fænomen. På en måde, vi talte om, men også til… krystallisering af vandopløselige stoffer. Krystallisering fra opløsninger ved hjælp af kapillærfænomenet forekommer i områder rig på grundvand, og varmt på samme tid, hvilket favoriserer fordampning af vand fra jorden, som omkring Det Døde Hav eller den berømte Death Valley i Californien (USA). Ligesom når smaragder krystalliserer, vand, der strømmer under jordens overflade, opløser nogle mineraler. Senere, når det kommer til en ørkenregion udsat for den stærke sol, stiger med kapillarkanaler op, i de øverste lag fordamper det, og stoffer, der tidligere er opløst i vand, krystalliserer på jordens overflade. I stedet for det fordampede vand strømmer en anden gennem kapillærer osv., etc.. Sådan blev ørkenområderne dækket med et lag salt over et stort område skabt, og i sandede ørkener vokser "ørkenroser"” – klumper af sammenfiltrede gipskrystaller, danner karakteristiske former svarende til en rosenblomst.

I næsten halvfjerds år har mennesket også lært at bruge fænomenet kapillærhår til at dyrke krystaller. Den første, der kom på denne idé, var en polak, professor ved Warszawas teknologiske universitet, Jan Czochralski, der viet hele sit videnskabelige liv til at undersøge fænomenet krystallisering og opnåelse af enkeltkrystaller. W 1916 Han udviklede en metode til fremstilling af enkeltkrystaller, som i dag er kendt som metoden til at ekstrahere krystaller fra en væske. Denne gang er det imidlertid ikke vand eller noget andet opløsningsmiddel, kun smeltet fast stof, hvilken enkelt krystal vi ønsker at få. Det kan være flydende metal, smeltet bordsalt eller smeltede fine partikler, f.eks.. farveløs korund. Czochralski beskæftigede sig primært med enkeltkrystaller af metaller, trods alt var han metallurg og udviklede sin metode til at opnå tin-enkeltkrystaller, bly og vismut. Til dette formål nedsænkede han et glaskapillær i det smeltede metal, metal strømmer opad under påvirkning af kapillarkræfter, og størknet under passende termiske betingelser dannede den en tynd monokrystallinsk stang.

Dette er dog kun begyndelsen på kultiveringsprocessen med en enkelt krystal. Når en lille mængde væske strømmer "op".” ind i kapillæren, kapillær stiger til den højde, at dens udløb bare rører væskeoverfladen. Metallet inde i kapillæren størkner fra top til bund, fordi højere temperatur er lavere end lige over væskeniveauet. Efter nogen tid øges den størknede flydende del, når kapillærudløbet, og fordi det er koldere end en væske, forårsager dets krystallisering i umiddelbar nærhed. På dette tidspunkt skal krystallisationsprocessen slutte, fordi diglen – beholder med væske – opvarmes konstant, og væsken i diglen forbliver konstant, konstant temperatur, kun lidt over frysepunktet.

Metoden anvendt af Czochralski til at ekstrahere metalkrystaller fra en væske.

At dyrke store krystaller, Czochralski brugte endnu en idé. Når væsken i kapillæren er størknet helt til bunden af ​​kapillæren, det begyndte at løfte det over væskeniveauet. Sammen med kapillæret og størknet inde i det krystallisationsfrøet steg til toppen. Den samme fysiske lov fungerer her, som i fænomenet kapillærhår og under dannelsen af ​​en konkav menisk – væskens vedhæftningskræfter til den størknede enkeltkrystal er større end væskens sammenhængskræfter. Væsken hævet over spejlniveauet kommer i kontakt med luften med dets sideflader, den afkøles og størkner, så en enkelt krystal vokser. Og igen kan vi hæve kapillæren til en bestemt højde, det næste lag af enkelt krystal vil størkne og igen, og igen. Forudsætningen for succesen med denne krystallisationsmetode er, at kapillæren hæves lidt, sådan, at forskellen mellem klæbemiddel og sammenhængskræfter er mindre end tiltrækningskraften, dvs. væskens tyngdekraft løftes opad. Faktisk i tilfælde af krystallisation ved hjælp af metoden til at trække krystallerne fra væsken løfter vi ikke kapillæren med en enkelt krystal i trin, men kontinuerligt ved meget lav hastighed 13 gør 40 tusindedele af en millimeter i sekundet, det vil sige fra 5 gør 15 cm på en time. Meget langsomt, men vi er sikre på det, at samhørigheden mellem væsken og den spirende enkeltkrystal ikke brydes, at vi vil vokse en stor, almindelig metalkrystal, halvleder eller salt, der vejer op til flere kg. Den samme metode bruges til at dyrke enkeltkrystaller af ædle sorter af mineraler, og blandt dem – granater.