Учені виростили сапфір-гігант

Найбільший прямокутний сапфір у світі виростили в лабораторії НТК «Інститут монокристалів» НАН України в Харкові. Його розміри становлять 350х500х50 міліметрів, а вага сягає 45 кілограмів. Такий кристал можна отримати тільки методом горизонтальної спрямованої кристалізації за технологією, розробленою харківськими вченими.

Цим екземпляром харків’яни розпочинають виробництво великих сапфірів, які не мають аналогів і використовуватимуться для роботи в агресивних середовищах, під великим тиском, в аерокосмічній техніці, літакобудуванні та у масовому виробництві підкладок для світлодіодів. За оцінками фахівців, потреба в дешевих великогабаритних сапфірових елементах на світових ринках стрімко зростає і обсяг їх виробництва найближчими роками необхідно збільшити в кілька разів. Установку «Горизонт-5» для серійного вирощування гігантських сапфірів, за технічним завданням НТК «Інститут монокристалів» НАНУ, розробило й виготовило державне підприємство ЦКБМ «Донець» у Луганську.

Сапфір росте зі швидкістю вісім міліметрів на годину

— В’ячеславе Михайловичу, як вирощують такі великі прямокутні кристали? — запитую члена-кореспондента НАН України, лауреата Державної премії України в галузі науки та техніки, доктора фізико-математичних наук В.ПУЗИКОВА.

— Зовні процес виглядає просто. У молібденовий тигель ростової установки завантажується сировина — попередньо оброблений і очищений вітчизняний глинозем, а також так званий початковий кристал. Це свого роду еталон, який передає сапфіру, який вирощуємо, свою структурну досконалість та певну орієнтацію кристалічної решітки, яка потрібна замовнику. При вазі сапфіра 45 кілограмів потрібно 50 кілограмів глинозему. Під дією високої температури 2050 градусів за Цельсієм, яку забезпечують спеціальні нагрівальні елементи, сировина в установці плавиться. Кристал такого розміру росте зі швидкістю вісім міліметрів на годину «під наглядом» автоматики десять днів — стільки триває цикл виробництва кристала від підготовки машини до розкриття після повного остигання.

— Оскільки більше нікому у світі не вдається отримувати такі великі сапфіри, їх вирощування тільки виглядає просто…

— Звісно. Наприклад, для установки «Горизонт-5» потрібно було розробити тепловий вузол принципово нової конструкції з оригінальною системою нагрівання. Однак, попри складнощі, вирощування великих кристалів економічно дуже вигідне, оскільки вони можуть бути за розміром і за формою максимально наближені до готового виробу. Загалом, у нашому інституті вже вирощено приблизно 30—40 тонн сапфірів різної ваги, розміру та форми. Нині ми вирощуємо сапфіри, розміри яких становлять мінімум 220х240 міліметрів. Винятком є замовлення, коли потрібно виготовити специфічні вузькі та довгі вікна.

— Чи можна побачити процес перетворення глинозему на сапфір на власні очі?

— Так, в установці є спеціальне віконце, крізь яке можна стежити за так званим фронтом кристалізації, тобто межею, по один бік якої — ще рідкий розплав, а по інший — уже прозорий кристал.

— Чим пояснити зростання інтересу з боку науки та техніки до сапфіра, який за останні три десятиліття з просто гарного коштовного каменю перетворився на затребуваний конструкційний матеріал?

— Сапфір став одним із найперспективніших матеріалів XXI століття завдяки унікальному поєднанню властивостей — він має високу прозорість в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній частинах спектра, високі діелектричні властивості, високу твердість, зносостійкість і теплопровідність, радіаційну та хімічну стійкість, біоінертний. Усе це визначило його широке застосування в багатьох галузях сучасної науки та техніки — оптиці, оптоелектроніці, мікроелектроніці та медицині.

В оптоелектроніці це передусім виробництво найефективніших електролюмінесцентних джерел світла, які за сукупністю світотехнічних характеристик у 14—15 разів перевершують лампи розжарювання. У цих пристроях сапфір використовується як підкладка для нанесення світловипромінювальних шарів різноманітних сполук, зокрема нітриду галію і його твердих розчинів. За оцінками фахівців, це одна з найбільш енергозберігаючих технологій сучасності. Обсяг світового ринку джерел світла нового покоління на 2015 рік оцінюється у дев’ять-десять мільярдів доларів.

Другий перспективний напрям використання сапфіра — оптика, яка працює в екстремальних умовах. Тут сапфір є безальтернативним матеріалом і приходить на зміну кварцу. Це устаткування, в якому використовуються високі тиски та агресивні середовища, проекційне телебачення, вікна сканерів касових апаратів тощо. Унікальні галузі використання сапфіра — аерокосмічна техніка та прозора броня. У цих галузях використовуються сапфірові вікна як правило великих розмірів — діаметром 200 мм і більше.

Слід зазначити, що установка «Горизонт-5» потенційно дозволяє виростити ще більші кристали сапфіра — розміром 500х800х50 міліметрів. Це дуже цікаве найближче надзавдання учених нашого інституту.

Де межа між живим і неживим?

Люди, які присвятили своє життя кристалу, сприймають його як якесь живе утворення. Про це свідчать навіть терміни, які використовуються в цій галузі науки: кристали зароджуються, ростуть, втомлюються, пам’ятають, пристосовуються до зовнішніх умов, старіють, відпочивають, захоплюють домішки, висловлюючи невдоволення, видають звуки, передають властивості у спадок тощо. Проте дослідження останніх років показали, що межу між живим і неживим справді важко встановити. Наприклад, найпростіші живі організми — віруси — можуть з’єднуватися в кристали.

Кристалічний стан речовини вирізняється особливою упорядкованістю. Атоми вибудувані в ряди, ряди атомів — у площини, а атомні площини заповнюють тривимірний простір. Проте ідеальний порядок може існувати в кристалі тільки при температурі абсолютний нуль, коли кристал «мертвий». В інших умовах під твердими нерухомими гранями криються різноманітні механічні рухи: коливання, обертання, хаотичні поступальні переміщення атомів. Цей невпорядкований рух, інтенсивність якого зростає з температурою, визначає багато що в долі та властивостях кристалу. Це відбувається доти, доки він вільний від неоднорідностей — у такому разі кажуть: «Кристал перебуває в рівноважному стані».

Проте при найменшій ознаці нерівноважності, наприклад тріщинках у зразку чи неоднорідностях у розподілі атомів різних сортів, потоки атомів стають спрямованими, підпорядковуються певній цілі. В результаті дифузії атомів тріщинки заліковуються, нерівномірно розміщені чужі атоми розподіляються однаково, а кристал, якому надали не властивої йому форми, прагне знайти рівноважну форму. Саме ця, вибрана «за власним розумінням» певна спрямованість руху атомів у кристалі навіює відчуття його розумності.

Вік деяких природних кристалів, зокрема сапфірів, налічує не менше десяти мільйонів років. За цей час на Землі з’явилася людина, змінювалися цивілізації, відбувалися великі переселення народів, утворювалися й розпадалися країни, а природні сапфіри й нині залишаються такими, якими вони сформувалися багато років тому. Проте вчені навчилися вирощувати сапфіри набагато більших розмірів і більшої чистоти, ніж це вміє природа. Вони переконані, що гігантські монокристали сапфіра проникатимуть у нові й нові сфери застосування в різних галузях науки і техніки.