Ученые вырастили сапфир-гигант

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.

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.

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.

— 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.

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

— 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.

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

— 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.

— 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?

— 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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.

Возраст некоторых природных кристаллов, в том числе сапфиров, насчитывает не менее десяти миллионов лет. За это время на Земле появился человек, сменялись цивилизации, происходили великие переселения народов, образовывались и распадались страны, а природные сапфиры и ныне остаются такими, какими они сформировались много лет назад. Однако ученые научились выращивать сапфиры гораздо больших размеров и большей чистоты, чем это умеет природа. Они убеждены, что гигантские монокристаллы сапфира будут находить все новые сферы применения в различных отраслях науки и техники.