Практически любой природный ресурс, в особенности полезные ископаемые, нужно пропускать через серьёзные технологические процессы, прежде чем этот ресурс можно будет использовать. Так дело обстоит с нефтью, газом, рудами и т. п.
С кварцем всё несколько иначе: его можно просто добывать, немного очищать, измельчать и пускать в дело. Ничего особенного, всё достаточно просто. Тем не менее добываемый кварц не всегда соответствует критериям, предъявляемым промышленностью — электронной и другими отраслями. Поэтому кварц научились ещё и синтезировать. Обо всём этом поговорим под катом. Надевайте строительные каски — и поехали!
Кварц — везде и всюду
Его на Земле действительно очень много, и он является частью огромного количества минералов. Он второй по распространённости минерал на Земле. Найти его можно как в виде кристаллов огромного размера, весящих тонны, так и в виде песка или мельчайших частиц, размер которых составляет всего несколько микрон.
Формула минерала очень близка с формуле диоксида кремния SiO2. Чем больше примесей, тем сложнее формула — тут простая зависимость. Если у кварца почти нет примесей, то это горный хрусталь. Помните ещё бокалы и салатницы из серванта своей бабушки или родителей?
Твёрдость по шкале Мооса — от 6,5 до 7. Это хороший показатель, который позволяет задействовать минерал в самых разных областях человеческой жизни. Удельный вес кварца — 2,60-2,65 г/куб. см. Химический состав минерала постоянен — SiO2, диоксид кремния. Блеск — стеклянный, иногда восковый, жирный.
Кварц — диэлектрик, он плохо проводит электрический ток. И при этом пьезоэлектрик — то есть может деформироваться под влиянием электрического поля или индуцировать (вызвать) электрозаряд при деформации.
Примеси могут придавать кварцу различные физико-химические свойства, благодаря чему его используют в ювелирной отрасли, на производстве и многих других отраслях. Среди наиболее известных разновидностей кварца — розовый кварц, раухтопаз, аметист, цитрин, авантюрин, морион, волосатик, тигровый глаз, кошачий глаз, соколиный глаз, оникс, празем, кремень и др.
Природное — не всегда качественное
Речь идёт о качестве природного минерала, добываемого обычным методом. Одно из главных свойств кварца, за что он и ценится в промышленности, — это пьезоэлектрический эффект. Это явление возникновения электрической поляризации в кристалле под действием механического напряжения. Данное явление впервые наблюдали братья Кюри, Жак и Пьер, в 1880 году. Тогда в качестве испытуемых выступили кристаллы хрусталя, турмалина и сегнетовой соли.
Активно использовать этот эффект стали в самом начале XX века — для ультразвуковых преобразователей подлодок. Затем резко возросла популярность телефонной связи и радиовещания. И для всего этого нужен был кварц, причём не любой, а с определёнными характеристиками и обработанный тоже определённым образом. В частности, из плит кварца нарезали пластинки, их полировали и затем применяли для изготовления пьезоэлектрических компонентов.
До 40-х годов XX века этого было достаточно. Но затем понадобилось столько кварца, что горнодобывающая и обрабатывающая промышленности перестали справляться с задачей. Поэтому в тех же 40-х годах начались попытки выращивания кристаллов кварца в лабораторных условиях. Нужен был способ, который позволяет выращивать крупные кристаллы в большом количестве. И этот способ должен был быть недорогим.
Он был найден: учёные выбрали гидротермальный синтез, то есть процесс роста кристаллов в условиях высоких температур и давления. Процесс, используемый в лабораторных условиях для выращивания кристаллов кварца, по своей сущности практически тот же, что и в природе. Кварц растворяется в воде при достаточно высокой температуре (необходимые температуры воды могут быть достигнуты только под давлением). Помещённый в сосуд высокого давления (автоклав) с соответствующим образом контролируемыми температурой и давлением, кварц будет растворяться в одной части сосуда и отлагаться в другой. Это метод транспортного гидротермального роста. В качестве шихты используется крошка из природного кварца, а новые кристаллы образуются на специально подготовленной затравке.
Нужно больше подробностей?
Этот процесс интересный, поэтому давайте рассмотрим его подробнее. Так вот, выше уже говорилось, что для получения кварца нужен… кварц. Это не ошибка. Действительно, кварц лабораторного качества получают из «дикорастущего» кварца.
Поэтому первый этап всего процесса — добыча минерала при помощи открытых горных разработок. То есть в карьерах. Вскрышу снимают при помощи тяжёлой специализированной техники, а иногда и взрывчатки (хотя сам кварц никогда не подвергается взрывным работам, чтобы избежать повреждений от внезапного и интенсивного нагрева), далее кварц вывозят на переработку.
После дробления, промывки, калибровки и химической обработки различными кислотами для растворения нежелательных минералов материал направляется производителям, затем они выращивают кристаллы чистого кварца.
Чтобы начать гидротермальный синтез, измельчённый кварц укладывают на дно автоклава под давлением и покрывают перфорированной перегородкой. В ёмкость добавляют воду вместе с небольшим количеством гидроксида или карбоната натрия. Задача добавки — растворить диоксид кремния в кварце в силикат натрия:
В суспензию также опускается рама, к которой прикреплено несколько тонких листов кварца. Эти листы служат затравочными кристаллами, на которых будут расти синтетические кристаллы.
Когда сосуд готов и загерметизирован, начинается нагрев. Устанавливается градиент, при этом ко дну сосуда прикладывается больше тепла. Богатая кремнеземом вода в сосуде кипит, образуя пар, который постепенно увеличивает давление внутри камеры. Конвекция заставляет жидкость направляться через камеру к более холодной зоне вверху — там начинается рост чистого кварца на затравочных кристаллах. Синтез — медленный процесс, кристаллы добавляют в размере всего лишь полмиллиметра каждый день, а это означает, что на создание полноценного синтетического кристалла могут уйти месяцы. Экономия за счёт масштаба достигается с помощью того, что камеры синтеза делают достаточно большими, чтобы одновременно создавать сотни кристаллов.
К моменту завершения синтеза кристаллы диоксида кремния чистотой 99,9999% имеют массу около восьми килограммов. Размер их достигает размера головы взрослого человека. Исходный кристалл часто можно увидеть в центре нового прозрачного кристалла кварца. Ну а потом уже этот чистый кварц пускают на нужды промышленности.
