Заглавная страница / Социология

Ученые вырастили сапфир-гигант

Этим экземпляром харьковчане начинают производство не имеющих аналогов крупных сапфиров, которые будут использоваться для работы в агрессивных средах, под большим давлением, в аэрокосмической технике, самолетостроении и при массовом производстве подложек для светодиодов. По оценкам специалистов, потребность в дешевых крупногабаритных сапфировых элементах на мировых рынках стремительно растет и объем их производства в ближайшие годы необходимо увеличить в несколько раз. Установку «Горизонт-5» для серийного выращивания гигантских сапфиров по техническому заданию НТК «Институт монокристаллов» НАНУ разработало и изготовило государственное предприятие ЦКБМ «Донец» в Луганске.

Самый крупный прямоугольный сапфир в мире вырастили в лаборатории НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины в Харькове. Его размеры составляют 350х500х50 миллиметров, а вес достигает 45 килограммов. Такой кристалл можно получить только методом горизонтальной направленной кристаллизации по технологии, разработанной харьковскими учеными.

— Внешне процесс выглядит просто. В молибденовый тигель ростовой установки загружается сырье — предварительно обработанный и очищенный отечественный глинозем, а также так называемый затравочный кристалл. Это своего рода эталон, который передает выращиваемому сапфиру свое структурное совершенство и определенную ориентацию кристаллической решетки, которая нужна заказчику. При весе сапфира 45 килограммов нужно 50 килограммов глинозема. Под воздействием высокой температуры в 2050 градусов по Цельсию, которую обеспечивают специальные нагревательные элементы, сырье в установке плавится. Кристалл такого размера растет со скоростью восемь миллиметров в час «под присмотром» автоматики десять дней — столько длится цикл производства кристалла от подготовки машины до вскрытия после полного остывания.

Сапфир растет со скоростью восемь миллиметров в час— Вячеслав Михайлович, как производится выращивание таких больших прямоугольных кристаллов? — спрашиваю члена-корреспондента НАН Украины, лауреата Государственной премии Украины в области науки и техники, доктора физико-математических наук В.ПУЗИКОВА.

— Конечно. Например, для установки «Горизонт-5» нужно было разработать тепловой узел принципиально новой конструкции с оригинальной системой нагрева. Однако, несмотря на сложности, выращивание больших кристаллов экономически очень выгодно, поскольку они могут быть по размеру и по форме максимально приближены к готовому изделию. В общей сложности в нашем институте уже выращено примерно 30—40 тонн сапфиров разного веса, размера и формы. Сейчас мы выращиваем сапфиры, размеры которых составляют минимум 220х240 миллиметров. Исключением являются заказы, когда требуется изготовить специфические узкие и длинные окна.

— Судя по тому, что больше никому в мире не удается получать такие крупные сапфиры, их выращивание только выглядит просто…

— Да, в установке есть специальное окошечко, сквозь которое можно следить за так называемым фронтом кристаллизации, то есть границей, с одной стороны которой находится еще жидкий расплав, а с другой — уже прозрачный кристалл.

— Можно ли увидеть процесс превращения глинозема в сапфир своими глазами?

— Сапфир стал одним из перспективнейших материалов XXI столетия благодаря уникальному сочетанию свойств — он обладает высокой прозрачностью в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, высокими диэлектрическими свойствами, имеет высокую твердость, износостойкость и теплопроводность, радиационную и химическую стойкость, биоинертен. Все это определило его широкое применение во многих отраслях современной науки и техники — оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике и медицине.

— Чем объяснить постоянно увеличивающийся интерес со стороны науки и техники к сапфиру, который в последние три десятилетия из просто красивого драгоценного камня превратился в востребованный конструкционный материал?

Вторым перспективным направлением использования сапфира является оптика, которая работает в экстремальных условиях. Здесь сапфир является безальтернативным материалом и приходит на смену кварцу. Это оборудование, в котором используются высокие давления и агрессивные среды, проекционное телевидение, окна сканеров кассовых аппаратов и так далее. Уникальные области использования сапфира — аэрокосмическая техника и прозрачная броня. В этих областях используются сапфировые окна, как правило, больших размеров — диаметром 200 мм и более.

В оптоэлектронике это, в первую очередь, производство наиболее эффективных электролюминесцентных источников света, которые по совокупности светотехнических характеристик в 14—15 раз превосходят лампы накаливания. В этих устройствах сапфир используется в качестве подложки для нанесения светоизлучающих слоев различных соединений, в частности нитрида галлия и его твердых растворов. По оценкам специалистов, это одна из наиболее энергосберегающих технологий современности. Объем мирового рынка источников света нового поколения к 2015 году оценивается в девять-десять миллиардов долларов.

Где граница между живым и неживым?Люди, посвятившие свою жизнь кристаллу, воспринимают его как некое живое образование. Об этом говорят даже используемые в этой области науки термины — кристаллы зарождаются, растут, устают, помнят, приспосабливаются к внешним условиям, стареют, отдыхают, захватывают примеси, выражая недовольство, издают звуки, передают свойства по наследству и так далее. Однако исследования последних лет показали, что грань между живым и неживым действительно трудно установить. Например, простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться в кристаллы.

Следует отметить, что установка «Горизонт-5» потенциально позволяет вырастить еще большие кристаллы сапфира — размером 500х800х50 миллиметров. Это является очень интересной ближайшей сверхзадачей ученых нашего института.

Однако при малейшем признаке неравновесности, например трещинках в образце или неоднородностях в распределении атомов разных сортов, потоки атомов становятся направленными, подчиняются определенной цели. В результате диффузии атомов трещинки залечиваются, неравномерно расположенные чужие атомы распределятся одинаково, а кристалл, которому придали не свойственную ему форму, стремится обрести равновесную форму. Именно эта избранная «по собственному разумению» определенная направленность движения атомов в кристалле внушает ощущение его разумности.

Кристаллическое состояние вещества отличается особой упорядоченностью. Атомы выстроены в ряды, ряды атомов — в плоскости, а атомные плоскости заполняют трехмерное пространство. Однако идеальный порядок может существовать в кристалле только при температуре абсолютного нуля, когда кристалл «мертв». При других условиях под твердыми неподвижными гранями скрываются различные механические движения: колебания, вращения, хаотические поступательные перемещения атомов. Это неупорядоченное движение, интенсивность которого растет с температурой, определяет очень многое в судьбе и свойствах кристалла. Это происходит до тех пор, пока он свободен от неоднородностей — в таком случае говорят: «Кристалл находится в равновесном состоянии».




Заглавная страница / Социология