Kapilarita

Kapilarita – tento jav je fyzikom známy už stovky rokov, ale tento jav mohla využiť iba príroda. Svojím spôsobom, hovorili sme o, ale aj na… kryštalizácia látok rozpustných vo vode. K kryštalizácii z roztokov využívajúcich kapilárny jav dochádza v oblastiach bohatých na podzemné vody, a zároveň horúce, ktorý podporuje odparovanie vody zo zeme, ako okolo Mŕtveho mora alebo známeho údolia smrti v Kalifornii (USA). Rovnako ako keď smaragdy kryštalizujú, voda tečúca pod povrchom zeme rozpúšťa niektoré minerály. Neskôr, pokiaľ ide o púštnu oblasť vystavenú silnému slnku, stúpa s kapilárnymi kanálikmi nahor, vo vrchných vrstvách sa odparuje, a látky predtým rozpustené vo vode kryštalizujú na povrchu zeme. Namiesto odparenej vody preteká ďalšia kapilárami atď., atď.. Tak vznikli na veľkej ploche púštne oblasti pokryté vrstvou soli, a v piesočných púšťach rastú „púštne ruže“” – hrudky zamotaných omietkových kryštálov, tvoriace charakteristické tvary podobné kvetu ruže.

Už takmer sedemdesiat rokov sa človek tiež naučil využívať fenomén kapilárnych vlasov na pestovanie kryštálov. Prvý, ktorí prišli s týmto nápadom, bol Poliak, profesor na Varšavskej technickej univerzite, Jan Czochralski, ktorý celý svoj vedecký život venoval výskumu fenoménu kryštalizácie a získavaniu monokryštálov. Ž 1916 Vyvinul spôsob výroby monokryštálov, ktorá je dnes známa ako metóda extrakcie kryštálov z kvapaliny. Tentokrát to však nie je voda ani žiadne iné rozpúšťadlo, iba roztavená pevná látka, ktorý monokryštál chceme získať. Môže to byť tekutý kov, roztavená kuchynská soľ alebo roztavené jemné častice, napr.. bezfarebný korund. Czochralski sa zaoberal hlavne monokryštálmi kovov, bol predsa hutníkom a vyvinul svoju metódu na získanie monokryštálov z cínu, olovo a bizmut. Za týmto účelom ponoril do roztaveného kovu sklenenú kapiláru, kov prúdi kapilárnymi silami smerom nahor, a stuhnutím za vhodných tepelných podmienok vytvorila tenkú monokryštalickú tyč.

Toto je však iba začiatok procesu kultivácie monokryštálu. Keď malé množstvo kvapaliny tečie „nahor“.” do kapiláry, kapilára stúpa do tej výšky, že jeho vývod sa len dotýka povrchu kvapaliny. Kov vo vnútri kapiláry tuhne zhora nadol, pretože vyššia teplota je nižšia ako tesne nad hladinou kvapaliny. Po určitom čase sa podiel stuhnutej kvapaliny zvýši, dosiahne výstup kapiláry, a pretože je chladnejšia ako kvapalina, spôsobuje jeho kryštalizáciu v bezprostrednom okolí. V tomto okamihu by sa mal proces kryštalizácie ukončiť, pretože téglik – nádoba s kvapalinou – sa neustále zahrieva, a kvapalina v tégliku zostáva konštantná, konštantná teplota, iba mierne nad bodom mrazu.

Metóda použitá Czochralskim na extrakciu kovových kryštálov z kvapaliny.

Na pestovanie veľkých kryštálov, Czochralski použil ešte jeden nápad. Keď kvapalina v kapiláre stuhla až na dno kapiláry, začínalo sa to dvíhať nad hladinu kvapaliny. Spolu s kapilárou a stuhnutou v jej vnútri kryštalizačné semeno vystúpilo na vrchol. Platí tu rovnaký fyzikálny zákon, ako pri fenoméne kapilárnych vlasov a pri tvorbe konkávneho menisku – sily adhézie kvapaliny k stuhnutému monokryštálu sú väčšie ako sily súdržnosti kvapaliny. Kvapalina vyvýšená nad úrovňou zrkadla sa dotýka vzduchu svojimi bočnými povrchmi, ochladí sa a stuhne, takže jediný kryštál rastie. A opäť môžeme kapiláru zdvihnúť do určitej výšky, ďalšia vrstva monokryštálu sa zrazí a znova, a znova. Predpokladom úspechu tejto metódy kryštalizácie je to, že sa kapilára trochu zdvihne, taký, že rozdiel medzi adhéznymi a kohéznymi silami je menší ako príťažlivá sila, to znamená, že gravitačná sila kvapaliny sa zdvihla nahor. V skutočnosti v prípade kryštalizácie metódou vyťahovania kryštálov z kvapaliny nedvíhame kapiláru s jediným kryštálom v krokoch, ale nepretržite pri veľmi nízkej rýchlosti 13 robiť 40 tisíciny milimetra za sekundu, teda od 5 robiť 15 cm za hodinu. Veľmi pomaly, ale sme si tým istí, že sa neporuší súdržnosť medzi kvapalinou a rodiacim sa monokryštálom, že z nás vyrastie veľký, bežný kovový krištáľ, polovodič alebo soľ s hmotnosťou do niekoľkých kilogramov. Rovnaká metóda sa používa na pestovanie monokryštálov ušľachtilých odrôd minerálov, a medzi nimi – granáty.