Kapillaritet

Kapillaritet – dette fenomenet har vært kjent for fysikere i hundrevis av år, men bare naturen kunne benytte seg av dette fenomenet. På en måte, vi snakket om, men også til… krystallisering av vannløselige stoffer. Krystallisering fra løsninger ved bruk av kapillærfenomenet forekommer i områder som er rike på grunnvann, og varmt samtidig, som favoriserer fordampning av vann fra bakken, som rundt Dødehavet eller den berømte Death Valley i California (USA). Akkurat som når smaragder krystalliserer, vann som strømmer under jordoverflaten løser opp noen mineraler. Seinere, når det gjelder en ørkenregion utsatt for sterk sol, stiger med kapillærkanaler opp, i de øvre lagene fordamper den, og stoffer som tidligere er oppløst i vann, krystalliserer seg på jordens overflate. I stedet for fordampet vann strømmer en annen gjennom kapillærer osv., etc.. Slik ble ørkenområdene dekket med et saltlag over et stort område opprettet, og i sandørkener vokser "ørkenroser"” – klumper av sammenfiltrede gipskrystaller, danner karakteristiske former som ligner en rose blomst.

I nesten sytti år har mennesket også lært å bruke fenomenet kapillærhår til å dyrke krystaller. Den første, som kom på denne ideen, var en polakk, professor ved universitetet i Warszawa, Jan Czochralski, som viet hele sitt vitenskapelige liv til å undersøke fenomenet krystallisering og oppnå enkelkrystaller. W 1916 Han utviklet en metode for å produsere enkeltkrystaller, som i dag er kjent som metoden for å ekstrahere krystaller fra en væske. Denne gangen er det imidlertid ikke vann eller noe annet løsemiddel, bare smeltet fast stoff, hvilken enkeltkrystall vi ønsker å få. Det kan være flytende metall, smeltet bordsalt eller smeltede fine partikler, f.eks.. fargeløs korund. Czochralski behandlet hovedsakelig enkeltkrystaller av metaller, Tross alt var han metallurg og utviklet sin metode for å oppnå tinn-enkrystaller, bly og vismut. For å oppnå dette senket han et glass kapillær i det smeltede metallet, metall flyter oppover under påvirkning av kapillærkrefter, og størknet under passende termiske forhold, dannet den en tynn monokrystallinsk stang.

Dette er imidlertid bare begynnelsen på kultivasjonsprosessen med en krystall. Når en liten mengde væske strømmer "opp".” inn i kapillæren, kapillær stiger til den høyden, at utløpet bare berører væskeoverflaten. Metallet inne i kapillærene stivner fra topp til bunn, fordi høyere temperatur er lavere enn like over væskenivået. Etter en stund øker den størknede flytende delen, når kapillærutløpet, og fordi det er kaldere enn en væske, forårsaker krystallisering i umiddelbar nærhet. På dette tidspunktet bør krystalliseringsprosessen avsluttes, fordi digelen – kar med væske – blir konstant oppvarmet, og væsken i digelen forblir konstant, konstant temperatur, bare litt over frysepunktet.

Metoden som brukes av Czochralski for å trekke ut metallkrystaller fra en væske.

Å dyrke store krystaller, Czochralski brukte en idé til. Når væsken i kapillæren har størknet helt til bunnen av kapillæren, den begynte å løfte den over væskenivået. Sammen med kapillær og størknet inni den krystallisasjonsfrøet steg til toppen. Den samme fysiske loven er på jobb her, som i fenomenet kapillærhår og under dannelsen av en konkav menisk – væskens adhesjonskrefter til den størknede enkeltkrystall er større enn væskens sammenhengende krefter. Væsken løftet over speilnivået kommer i kontakt med luften med sideflatene, den avkjøles og stivner, så en enkelt krystall vokser. Og igjen kan vi heve kapillæren til en viss høyde, neste lag med enkeltkrystall vil koagulere og igjen, og igjen. Forutsetningen for å lykkes med denne krystallisasjonsmetoden er at kapillæren heves litt, slik, at forskjellen mellom klebende og kohesive krefter er mindre enn tiltrekningskraften, det vil si tyngdekraften til væsken løftet oppover. I tilfelle krystallisering ved hjelp av metoden for å trekke krystallene fra væsken, løfter vi ikke kapillæren med en enkelt krystall i trinn, men kontinuerlig med veldig lav hastighet 13 gjøre 40 tusendels millimeter per sekund, altså fra 5 gjøre 15 cm på en time. Veldig sakte, men vi er sikre på det, at kohesjonen mellom væsken og den fremvoksende enkeltkrystall ikke vil brytes, at vi vil vokse en stor, vanlig metallkrystall, halvleder eller salt som veier opptil flere kilo. Den samme metoden brukes til å dyrke enkle krystaller av edle varianter av mineraler, og blant dem – granater.