Kapillaritet

Kapillaritet – detta fenomen har varit känt för fysiker i hundratals år, men bara naturen kunde använda sig av detta fenomen. På ett sätt, vi pratade om, men också till… kristallisering av vattenlösliga ämnen. Kristallisering från lösningar med kapillärfenomen förekommer i områden som är rika på grundvatten, och varmt samtidigt, vilket gynnar avdunstningen av vatten från marken, som runt Döda havet eller den berömda Death Valley i Kalifornien (USA). Precis som när smaragder kristalliserar, vatten som strömmar under jordens yta löser upp vissa mineraler. Senare, när det gäller en ökenregion utsatt för den starka solen, stiger med kapillärkanaler uppåt, i de övre skikten avdunstar den, och ämnen som tidigare lösts i vatten kristalliserar på jordens yta. I stället för det avdunstade vattnet flyter en annan genom kapillärer etc., etc.. Så skapades ökenområdena täckta med ett saltlager över ett stort område, och i sandiga öknar växer "ökenrosor"” – klumpar av trassliga gipskristaller, bildar karakteristiska former som liknar en rosblomma.

I nästan sjuttio år har människan också lärt sig att använda fenomenet kapillärt hår för att växa kristaller. Den första, som kom på den här idén, var en polack, professor vid Warszawas tekniska universitet, Jan Czochralski, som ägnade hela sitt vetenskapliga liv åt att undersöka fenomenet kristallisering och erhålla enstaka kristaller. W 1916 Han utvecklade en metod för att producera enstaka kristaller, som idag är känd som metoden för att extrahera kristaller från en vätska. Den här gången är det dock inte vatten eller något annat lösningsmedel, endast smält fast ämne, vilken enda kristall vi vill få. Det kan vara flytande metall, smält bordssalt eller smälta fina partiklar, t.ex.. färglös korund. Czochralski behandlade huvudsakligen enskilda kristaller av metaller, trots allt var han metallurg och utvecklade sin metod för att få enkla kristaller av tenn, bly och vismut. För detta ändamål nedsänkte han en glaskapillär i den smälta metallen, metall flyter uppåt under inverkan av kapillärkrafter, och stelnade under lämpliga termiska förhållanden bildade den en tunn monokristallin stav.

Detta är dock bara början på odlingsprocessen med en kristall. När en liten mängd vätska rinner "upp".” in i kapillären, kapillär stiger till den höjden, att dess utlopp bara rör vid vätskeytan. Metallen inuti kapillären stelnar från topp till botten, eftersom högre temperatur är lägre än strax över vätskenivån. Efter en tid ökar den stelnade flytande delen, når kapillärutloppet, och eftersom det är kallare än en vätska, orsakar kristallisering i omedelbar närhet. Vid denna tidpunkt bör kristallisationsprocessen avslutas, för degeln – kärl med vätska – värms upp ständigt, och vätskan i degeln förblir konstant, konstant temperatur, bara något över fryspunkten.

Metoden som används av Czochralski för att extrahera metallkristaller från en vätska.

Att växa stora kristaller, Czochralski använde en idé till. När vätskan i kapillären har stelnat hela vägen till botten av kapillären, det började lyfta det över vätskenivån. Tillsammans med kapillären och den stelnade inuti den kristallisationsfrön steg till toppen. Samma fysiska lag fungerar här, som i fenomenet kapillärt hår och under bildandet av en konkav menisk – vätskans vidhäftningskrafter till den stelnade enkristallen är större än vätskans sammanhängande krafter. Vätskan som höjs över spegelnivån kommer i kontakt med luften med dess sidoytor, den kyls och stelnar, så växer en enda kristall. Och igen kan vi höja kapillären till en viss höjd, nästa lager av enda kristall koagulerar och igen, och igen. Förutsättningen för framgången med denna kristallisationsmetod är att kapillären höjs lite, sådan, att skillnaden mellan vidhäftande och sammanhängande krafter är mindre än attraktionskraften, dvs tyngdkraften hos vätskan lyfts uppåt. I själva verket, i fallet med kristallisering med metoden för att dra kristallerna från vätskan, lyfter vi inte kapillären med en enda kristall i steg, men kontinuerligt med mycket låg hastighet 13 do 40 tusendels millimeter per sekund, det vill säga från 5 do 15 cm på en timme. Väldigt långsamt, men vi är säkra på det, att sammanhållningen mellan vätskan och den framväxande enkristallen inte kommer att brytas, att vi kommer att växa en stor, vanlig metallkristall, halvledare eller salt som väger upp till flera kg. Samma metod används för att odla enstaka kristaller av ädla sorter av mineraler, och bland dem – granater.