Capillarità

Capillarità – questo fenomeno è noto ai fisici da centinaia di anni, ma solo la natura poteva servirsi di questo fenomeno. In un modo, abbiamo parlato di, ma anche a… cristallizzazione di sostanze idrosolubili. La cristallizzazione da soluzioni utilizzando il fenomeno capillare avviene in aree ricche di acque sotterranee, e caldo allo stesso tempo, che favorisce l'evaporazione dell'acqua dal terreno, come intorno al Mar Morto o nella famosa Death Valley in California (Stati Uniti d'America). Proprio come quando gli smeraldi si cristallizzano, l'acqua che scorre sotto la superficie della terra dissolve alcuni minerali. Dopo, quando si tratta di una regione desertica esposta al forte sole, sale con i canali capillari verso l'alto, negli strati superiori evapora, e le sostanze precedentemente disciolte in acqua cristallizzano sulla superficie della terra. Al posto dell'acqua evaporata, un'altra scorre attraverso capillari, ecc., eccetera.. È così che sono state create le aree desertiche ricoperte da uno strato di sale su una vasta area, e nei deserti sabbiosi crescono le "rose del deserto"” – grumi di cristalli di gesso aggrovigliati, formando forme caratteristiche simili a un fiore di rosa.

Da quasi settant'anni l'uomo ha imparato anche a sfruttare il fenomeno dei capelli capillari per far crescere i cristalli. Il primo, chi ha avuto questa idea, era un polacco, professore all'Università di Tecnologia di Varsavia, Jan Czochralski, che dedicò tutta la sua vita scientifica alla ricerca del fenomeno della cristallizzazione e all'ottenimento di cristalli singoli. W 1916 Ha sviluppato un metodo per produrre cristalli singoli, che oggi è conosciuto come il metodo per estrarre i cristalli da un liquido. Questa volta, però, non è acqua o altro solvente, solo solido fuso, quale singolo cristallo vogliamo ottenere. Potrebbe essere metallo liquido, sale da cucina fuso o particelle fini fuse, per esempio.. corindone incolore. Czochralski si occupava principalmente di singoli cristalli di metalli, dopotutto, era un metallurgista e sviluppò il suo metodo per ottenere cristalli singoli di stagno, piombo e bismuto. A tal fine, ha immerso un capillare di vetro nel metallo fuso, il metallo scorre verso l'alto sotto l'azione delle forze capillari, e solidificandosi in opportune condizioni termiche, formava un sottile bastoncino monocristallino.

Tuttavia, questo è solo l'inizio del processo di coltivazione del singolo cristallo. Quando una piccola quantità di liquido scorre "su".” nel capillare, il capillare sale a quell'altezza, che la sua uscita tocchi appena la superficie del liquido. Il metallo all'interno del capillare si solidifica dall'alto verso il basso, perché più alta la temperatura è inferiore appena sopra il livello del liquido. Dopo qualche tempo, la parte liquida solidificata aumenta, raggiunge l'uscita capillare, e perché è più freddo di un liquido, provoca la sua cristallizzazione nelle immediate vicinanze. A questo punto il processo di cristallizzazione dovrebbe terminare, perché il crogiolo – recipiente con liquido – è costantemente riscaldato, e il liquido nel crogiolo rimane costante, temperatura costante, solo leggermente al di sopra del punto di congelamento.

Il metodo utilizzato da Czochralski per estrarre cristalli metallici da un liquido.

Per far crescere grandi cristalli, Czochralski ha usato un'altra idea. Quando il liquido nel capillare si è solidificato fino in fondo al capillare, cominciava a sollevarlo sopra il livello del liquido. Insieme al capillare e al solidificato al suo interno il seme di cristallizzazione è salito in alto. La stessa legge fisica è all'opera qui, come nel fenomeno dei capelli capillari e durante la formazione di un menisco concavo – le forze di adesione del liquido al monocristallo solidificato sono maggiori delle forze coesive del liquido. Il liquido sollevato sopra il livello dello specchio entra in contatto con l'aria con le sue superfici laterali, si raffredda e si solidifica, così cresce un singolo cristallo. E ancora possiamo alzare il capillare ad una certa altezza, il successivo strato di cristallo singolo si coagula e di nuovo, e di nuovo. Il presupposto per il successo di questo metodo di cristallizzazione è che il capillare sia leggermente sollevato, come, che la differenza tra le forze adesive e coesive è inferiore alla forza attrattiva, cioè, la forza di gravità del fluido sollevato verso l'alto. Infatti, nel caso di cristallizzazione con il metodo di estrazione dei cristalli dal liquido, non solleviamo il capillare con un singolo cristallo a gradini, ma continuamente a velocità molto bassa 13 fare 40 millesimi di millimetro al secondo, cioè da 5 fare 15 cm in un'ora. Molto lentamente, ma ne siamo sicuri, che la coesione tra il liquido e il monocristallo nascente non si romperà, che cresceremo alla grande, cristallo di metallo normale, semiconduttore o sale di peso fino a diversi chilogrammi. Lo stesso metodo viene utilizzato per coltivare monocristalli di varietà nobili di minerali, e tra questi – granate.