изкуствени камъни
През първата половина на 19 век са направени първите плахи опити за производство наизкуствени скъпоценни камъни, а новите технологии, създадени през 20 век, вече позволяват получаването на големи монокристали от неметални тела и метали: полупроводници, пиезоелектрици, феро- и феримагнетици.
Всичко това дава възможност да се произвеждат синтетични кристали в необходимите количества с голямо разнообразие от свойства и приложения. Откритията в областта на аналитичната химия изиграха важна роля при създаването на синтетични камъни - по-специално подробен химичен анализ на скъпоценни камъни направи възможно синтезирането на изкуствен рубин. Задачата не беше лесна, защото алуминиевият оксид, който изгражда рубина, се топи само при температура от 2045 градуса C.
Използва се кислородно-водородна горелка за получаване на необходимата температура.
Французинът Марк Годен, след като слял соли на алуминий и калий, получил първите топки от разтопен алуминиев оксид и им придал червен цвят с помощта на калиев дихромат. Резултатът обаче почти не приличаше на истински рубин: кристалите бяха малки и мътни. Десет години след получаването на първите синтетични рубини, друг французин - Жак Жозеф Ебелман - прави бели сапфири чрез топене на алуминиев оксид в борна киселина, а Едмон Фреми, заедно с един от своите ученици, синтезира корунд чрез сливане на алуминиев оксид и олово.
Получената стопилка от оловен алуминат се поддържа при висока температура в порцеланов тигел, в резултат на което се образува оловен силикат и алуминиевият оксид кристализира под формата на бял сапфир, който след добавяне на хромови соли придобива вид на червен рубин.
Още по-добри резултати са постигнати от Фреми и Огюст Верньойл, въпреки че получените от тях синтетични камънистана малък.
Verneuil разработи нова индустриална технология за синтез на рубини с големи размери, която се състои в топене на алуминиев оксид с добавяне на оцветител в огъня на специално проектирана газова горелка.
Учените се опитаха да синтезират диамант, най-твърдият от минералите, но ако само високата температура беше достатъчна, за да се получи синтетичен сапфир, тогава беше необходимо и огромно налягане, за да се превърне графитът в диамант. Технологията изискваше достигане на температура от 3000 градуса C и налягане от 7000 MPa, но в началото на 19-ти и 20-ти век такова оборудване просто не съществуваше.
Синтезът на корунд се извършва в апарата Verneuil, основната част от който е кислородно-водородна горелка.
Алуминиевият оксид бавно се излива в съда през вертикална тръба, през която също се доставят кислород и водород. На изхода на тръбата газовете се запалват, създавайки температура, способна да разтопи алуминиевия оксид. На стойка, монтирана в маса, движеща се във вертикална равнина, от капки стопилка се образува крушовиден или конусовиден синтетичен корундов кристал. След получаване на кристал с необходимия размер, подаването на алуминиев оксид се спира, кристалът се охлажда и се отделя от стойката. Производството на един кристал отнема няколко часа.
Кристалите на синтетичния корунд достигат височина 2 - 5 cm, ширина 1 - 2,5 cm и маса 50 - 300 карата. Едва създаването на преси с високо налягане от Пърси Уилямс Бриджман и Балтазар фон Платен позволи на ACEA и General Electric да се опитат да синтезират диаманти в индустриален мащаб. След Втората световна война започва активна работа по синтеза на други монокристали, състоящи се в опити за растежги от течната фаза.
В момента се провеждат изследвания в областта на превръщането на монокристали от калиев алумосиликат в натриеви алумосиликати и обратно чрез йонообмен. Бързото развитие на физиката на твърдото тяло през последните десетилетия на 20 век стана възможно благодарение на разработването на нови методи за получаване на големи монокристали. Един от методите за синтез на последния е кристализацията от разтвори при нормално атмосферно налягане.
Приготвя се свръхнаситен разтвор на вещество - основният компонент на кристала, например меден сулфат - и в него се поставя кристално ядро, на което се придава въртеливо движение за по-ефективен растеж. От водни разтвори е възможно да се получат много големи кристали, понякога с тегло над 20 kg. Не по-малко разпространен е хидротермалния метод - кристализация от воден разтвор при високо налягане и температура над 100 ° C.
Така се получават например кварцови кристали. Кварцовите зърна се поставят в пет процента разтвор на натриев карбонат в долната част на херметически затворен автоклав, където се поддържа температура от около 400 градуса по Целзий, а зародишният кристал се поставя в зона, където температурата е няколко десетки градуса по-ниска. При постоянно налягане от около 120 MPa парчетата кварц на дъното на съда се разтварят и кристалът, около който температурата е по-ниска, започва да расте. По този начин се получават кристали от берил, гранат, топаз, жадеит и мусковит.
За отглеждане на кристали от метали, неорганични и органични съединения се използва кристализация с охлаждане на разтопено вещество, близко по състав до кристал.
Устройствата, използвани в този случай, се различават значително, тъй като точките на топене на веществата са много различни - диапазонът им е от -271 до 3700 градуса С. За първи път този метод се използва за кристализация на монокристална метална тел: в пещта се поставя тигел с разтопен метал, чиято температура е малко по-висока от точката на топене; зародишният кристал се потапя в стопилката, след което се издига над повърхността с ниска постоянна скорост.
По подобен начин се отглеждат полупроводникови кристали - германий и силиций.
Съществува и начин за получаване на кристали чрез полиморфни трансформации: именно с негова помощ се получават изкуствени диаманти от графит, въглища или сажди. Монокристалите се използват широко в оптични инструменти, устройства, които откриват ядрена радиация, лазери и мазери; често се използват и като полупроводници, ферити, скъпоценни камъни.
В оптичната индустрия лещи, призми, поляризатори и филтри се правят от кристали. Полезна характеристика на някои кристали - като кварц или флуорит - е тяхната пропускливост за инфрачервено и ултравиолетово лъчение. За производството на поляризатори се използват кристали от калцит и натриев нитрат.
Броячите, регистриращи ядрено лъчение, са оборудвани със сцинтилационни кристали, обикновено направени от йодиди на алкални метали. Такива кристали се използват и в радиохимичния анализ, радиобиологията и при търсенето на руди на радиоактивни елементи. Феноменът на пиезоелектричеството, тоест появата на електрически заряди под въздействието на разтягане или компресия на кристал, намира широко приложение в технологиите.
Като полупроводници най-често се използват монокристали от германий и силиций, а полупроводниковите съпротивителни елементи са направени от силициев карбид. Феритите, произведени чрез синтероване, придобиват в допълнение къмферомагнитни свойства и свойства на полупроводниците; техният състав може лесно да се променя, а по време на синтеза при температура 900 - 1400 градуса С може да им се придаде всяка желана форма. Монокристалите са от голямо значение при производството на мазери и лазери. Мазерите, използвани в астрономията, позволяват приемането на слаби сигнали, осигурявайки повече от хилядократно усилване без изкривяване.
Тези устройства са разделени на мазери, работещи в инфрачервения, ултравиолетовия и видимия диапазон на светлината.
Синтетичните монокристали също се използват широко в бижутерията, а най-популярните синтетични скъпоценни камъни са корунд, кварц и итриев алуминиев гранат. Каменното леене се отнася до различни елементи - тръби, машинни легла, зъбни колела - отлети от разтопена скала. В резултат на топенето и кристализацията на скалата се създава финокристално вещество с технически свойства, които в много отношения превъзхождат тези на чугун, порцелан или стъкло.
Първите елементи от базалт и андезит са отлети във Франция. Изходният материал, в зависимост от състава му, се довежда до температура 1300 - 1750 градуса С, след което се охлажда до 800 - 1000 градуса С и се излива във форми. Продължителността на охлаждането влияе върху степента на кристализация на веществото. В допълнение към базалт и андезит, диабаз, амфиболит и някои други скали се използват за леене на камъни.
Едновременно с развитието на промишлеността възниква необходимостта от разработване на нови абразивни материали - прахообразни или направени под формата на абразивен слой, нанесен върху една или друга основа, тъй като обемите на извлечения естествен корунд вече не могат да задоволят нуждите на всички отрасли, в които се използва.
Производството на изкуствени абразиви започва, когато Едуард Ачесън получава силициев карбид. Малко по-късно е разработена технология за производство на изкуствен технически корунд чрез топене на боксит в електродъгова пещ. Понастоящем от алуминиев оксид се произвежда продукт с по-високо качество - бял електрокорунд.
Силициевият карстеклобид се получава в резултат на синтез в електрическа пещ при температура 2100 - 2400 градуса С от смес, състояща се от кварцов пясък, въглища, сол и дървени стърготини.
Бързото развитие на гамата от изкуствени минерали - полуготови продукти с желани свойства или кристали за различни цели - понякога създава трудности по отношение на правилния избор на имена. При опитите за систематизиране на изкуствените камъни за основа беше взето сходството на техните структури със структурата на естествените минерали. Шамот, фаянс, порцелан, теракота, огнеупорни материали и синтетични монокристали се сравняват с метаморфни скали; имат своите изкуствени аналози и седиментни скали: това са бетон, цимент, силикатни тухли и гипс.
Основните структури и размерът и формата на кристалните зърна на магмените скали са подобни на тези на материали като стъкло, шлаков чакъл, огнеупорна керамика и композити.