Kapillarity

Kapillarity – þetta fyrirbæri hefur verið þekkt af eðlisfræðingum í mörg hundruð ár, en aðeins náttúran gæti nýtt sér þetta fyrirbæri. Á vissan hátt, við töluðum um, en einnig til… kristöllun vatnsleysanlegra efna. Kristöllun úr lausnum með háræðafyrirbæri kemur fram á svæðum sem eru rík af grunnvatni, og heitt á sama tíma, sem er hlynntur uppgufun vatns úr jörðu, eins og í kringum Dauðahafið eða hinn fræga Dauðadal í Kaliforníu (Bandaríkin). Alveg eins og þegar smaragðar kristallast, vatn sem rennur undir yfirborði jarðar leysir upp nokkur steinefni. Seinna, þegar kemur að eyðimerkursvæði sem verður fyrir sterkri sól, hækkar með háræðarásir upp, í efri lögum gufar það upp, og efni sem áður hafa verið leyst upp í vatni kristallast á yfirborði jarðar. Í stað uppgufaðs vatns rennur annar um háræð o.s.frv., o.fl.. Þannig urðu til eyðimerkursvæðin þakin saltlagi yfir stórt svæði, og í sandi eyðimörkum vaxa „eyðimerkurósir“” – moli af flæktum gifskristöllum, mynda einkennandi form svipað og rósablóm.

Í næstum sjötíu ár hefur maðurinn einnig lært að nota fyrirbærið háræða hár til að vaxa kristalla. Fyrsti, sem kom með þessa hugmynd, var Pólverji, prófessor við Tækniháskólann í Varsjá, Jan Czochralski, sem helgaði öllu vísindalífi sínu rannsóknum á fyrirbæri kristöllunar og að fá staka kristalla. W 1916 Hann þróaði aðferð til að framleiða staka kristalla, sem í dag er þekkt sem aðferðin við að vinna kristalla úr vökva. Að þessu sinni er það hins vegar ekki vatn eða önnur leysiefni, aðeins bráðið fast efni, hvaða staka kristal við viljum fá. Það getur verið fljótandi málmur, brædd borðssalt eða bráðnar fínar agnir, t.d.. litlaus korund. Czochralski fjallaði aðallega um staka kristalla málma, enda var hann málmfræðingur og þróaði aðferð sína til að fá einn kristalla úr tini, blý og bismút. Í þessu skyni sökkti hann glerhæð í bráðna málminn, málmur rennur upp undir aðgerð háræðarkrafta, og storknaði við viðeigandi hitaupplýsingar, myndaði það þunna einkristallaða stöng.

Þetta er þó aðeins upphafið að ræktunarferlinu með einum kristal. Þegar lítið magn af vökva rennur „upp“.” inn í háræðina, háræð hækkar í þá hæð, að útrás þess snerti bara vökvayfirborðið. Málmurinn inni í háræðinni storknar frá toppi til botns, vegna þess að hærra hitastig er lægra en rétt yfir vökvastigi. Eftir nokkurn tíma eykst storknaði fljótandi hlutinn, nær háræðarúttakinu, og vegna þess að það er kaldara en vökvi, veldur kristöllun þess í næsta nágrenni. Á þessum tímapunkti ætti kristöllunarferlið að enda, vegna þess að deiglan – skip með vökva – er stöðugt hituð, og vökvinn í deiglunni helst stöðugur, stöðugt hitastig, aðeins aðeins yfir frostmarkinu.

Aðferðin sem Czochralski notaði til að vinna málmkristalla úr vökva.

Að vaxa stóra kristalla, Czochralski notaði enn eina hugmyndina. Þegar vökvinn í háræðinni hefur storknað alveg að botni háræðarinnar, það var farið að lyfta því yfir vökvastigið. Saman við háræðina og storknaða innan í henni kristöllunarfræið reis upp á toppinn. Sama eðlislögmál er hér að verki, eins og í fyrirbæri háræðahárs og við myndun íhvolfs meniscus – viðloðunaröfl vökvans við storknaða eina kristalinn eru meiri en samheldni vökvans. Vökvinn sem er hækkaður fyrir ofan spegilinn snertir loftið með hliðarflötunum, það er kælt og storknar, svo einn kristall vex. Og aftur getum við hækkað háræðina í ákveðna hæð, næsta lag af einum kristal mun storkna og aftur, og aftur. Forsenda velgengni þessarar kristöllunaraðferðar er að háræðin er hækkuð aðeins, svona, að munurinn á lím- og samloðunarkraftunum sé minni en aðdráttaraflið, það er þyngdarafl vökvans lyftist upp á við. Reyndar, ef um kristöllun er að ræða með aðferðinni til að draga kristallana úr vökvanum, lyftum við ekki háræðinni með einum kristal í þrepum, en stöðugt á mjög lágum hraða 13 gera 40 þúsundustu millimetra á sekúndu, það er frá 5 gera 15 cm á klukkustund. Mjög hægt, en við erum viss um það, að samheldni milli vökvans og vaxandi eins kristals verður ekki rofin, að við munum vaxa stórt, venjulegur málmkristall, hálfleiðari eða salt sem vegur allt að nokkur kíló. Sama aðferð er notuð til að rækta staka kristalla af göfugum afbrigðum steinefna, og meðal þeirra – handsprengjur.