ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

способ выращивания кристаллов в домашних условиях

Классы МПК:C30B7/08 охлаждением раствора
C30B29/10 неорганические соединения или композиции
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Вайнтруб Борис Исаакович
Приоритеты:
подача заявки:
1998-03-26
публикация патента:

Изобретение относится к области кристаллографии и может быть использовано для выращивания монокристаллов и сростков кристаллов в домашних условиях для декоративных целей. Сущность изобретения заключается в том, что создают раствор исходного вещества, например медного купороса CuSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 5H2O или красной кровяной соли K3Fe(CN)4, в воде до получения насыщенного раствора с последующим подогревом до 45oC, получают ненасыщенный раствор, в который при температуре Tкомн + 8oС вводят затравку, предварительно выращенную на леске с грузиком и петлей, после чего охлаждают раствор до комнатной температуры до получения пересыщенного раствора, что позволяет выращивать крупные кристаллы нужных размеров и декоративной формы. В качестве исходных растворов помимо указанных используют водные растворы минеральных солей: никелевого купороса NiSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, магния сернокислого MgSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, калия двухромовокислого K2Cr2O7, желтой кровяной соли K4 [Fe(CN)6] способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 3H2O, марганца двухлористого MnCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 4H2O, меди двухлористой CuCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 2H2O и др. Изобретение позволяет получать чистые монокристаллы или сростки кристаллов декоративной формы. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2130978

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Изобретение относится к области кристаллографии и может быть использовано для выращивания монокристаллов и сростков кристаллов в домашних условиях для декоративных целей.

Известен способ получения кристаллов воднорастворимых соединений [1], включающий растворение исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора, его нагрев с последующим охлаждением, при этом в воду вводят следующие примеси неорганических соединений: CoSO4, MgSO4, FeF3, CuSO4, ZnSO4, KAl(SO4)2, KSO3, KCrO4, K3Fe(CN)6, KClO4, KCr(SO4)2.

Известный способ предлагает получать монокристаллы из перечисленных солей, однако он не позволяет получить монокристаллы крупных размеров, высокой чистоты, декоративных форм, так как отсутствует технологический режим, позволяющий получить крупные монокристаллы и сростки кристаллов высоких декоративных форм. Причем на форму и качество выращиваемых монокристаллов в значительной степени оказывают влияние метод и скорость охлаждения растворов в системе раствор-стекло-вода, что при неправильном охлаждении приводит к массовому выпадению вещества на стенках кристаллизатора. Кроме того, как правило, концентрация растворенного вещества в растворе в разных его точках одинакова. Но если создать разность температур в растворе, то в нем возникает градиент химического потенциала, что способствует возникновению диффузии и перераспределению концентраций и, отсюда, направленному росту кристаллов.

Известно, что до сих пор введение кристаллоносца с затравкой осуществляли сразу в пересыщенный раствор. Пересыщение поддерживали путем постоянного снижения температуры. Такая технология получения кристаллов, как правило, обеспечивала достаточную скорость роста кристалла, что приводило к образованию микротрещин и неоднородности строения и состава кристалла между различными его зонами.

Начинался процесс кристаллизации, как правило, с 50 - 70oC. Особую опасность при таких температурах представляет открывание кристаллизатора при манипуляциях с затравками, кроме того, с повышением температуры уменьшается ширина метастабильной зоны реактора. В известных технологиях, как правило, кристаллоносец помещают в пересыщенный раствор при температуре 55 - 56oC. При таких температурах при недосыщенном растворе затравка в нем быстро растворяется. Поэтому для получения удовлетворительных кристаллов требуется переохлаждение, составляющее десятые доли градуса. Повышение степени пересыщения раствора ведет к порче кристалла и запаразичиванию кристаллизатора. Все это не позволяет уверенно получать по известным технологиям высококачественные кристаллы.

В предлагаемом изобретении решается задача создать крупный чистый монокристалл или сросток кристаллов декоративной формы.

Поставленная задача решается тем, что в способе выращивания кристаллов, включающем растворение исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора и его нагрев с последующим охлаждением, дополнительно растворяют столько вещества, чтобы раствор остался ненасыщенным, и начинают охлаждение раствора, вводят кристаллоносец с затравкой на участке от внешней температуры нагрева раствора до точки равновесного состояния, причем затравку к кристаллоносцу крепят через промежуточное звено, выполненное в виде петли, после чего продолжают охлаждение до комнатной температуры с переходом раствора через точку равновесного состояния до получения пересыщенного раствора, причем раствор выдерживают при комнатной температуре порядка 3-х суток, нагрев раствора производят до 45oС, кристаллоносец с затравкой вводят в раствор при температуре T = (Tк + 8o), где Tк - комнатная температура, а после выдержки раствора при комнатной температуре в течение указанного времени кристаллоносец с кристаллом вынимают из раствора, раствор вновь нагревают до указанной температуры, дополнительно растворяют исходное вещество, принудительно понижают температуру раствора до T = (Tк + 8o), вводят кристаллоносец с кристаллом и продолжают естественное охлаждение раствора до комнатной температуры, после чего выдерживают раствор при этой температуре трое суток, после чего вынимают кристаллоносец с кристаллом из раствора и повторяют указанный цикл 20 - 25 раз. При этом, если затравочный кристалл выбирают из кристаллов, образующихся на дне кристаллизатора, то в выбранный затравочный кристалл вращивают петлю, предварительно закрепив ее на затравочном кристалле с помощью пластилина, а для создания подставки из сростка кристаллов под вертикально стоящим монокристаллом, монокристалл разращивают в кристаллизаторе в подвешенном состоянии до достижения им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку из пластмассы с помощью пластилина и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров. В качестве исходных растворов используют водные растворы минеральных солей: медного купороса CuSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 5H2O, никелевого купороса NiSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, магния сернокислого MgSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, калия двухромовокислого K2Cr2O7, красной кровяной соли K3[Fe(CN)6], желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6] способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 3H2O, марганца двухлористого MnCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 4H2O, меди двухлористой CuCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 2H2O и др.

Предложенный способ выращивания кристаллов в домашних условиях рассмотрим на примере выращивания кристаллов медного купороса CuSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 5H2O с чистотой 98,5%. Использование реактива меньшей чистоты приводит к образованию хлопьев в растворе.

Сначала выращивают затравку. Затравку выращивают в пересыщенном растворе. Для получения такого раствора 200 г реактива растворяют в 800 мл теплой кипяченой воды. Если полного растворения не происходит, то необходимо нагреть раствор в водяной бане до 50oС и растворить реактив без остатка. Выращивание затравки производят на грузике, в качестве которого используют бусинку из стекла или кварца. Для этого в полученный теплый раствор опускают леску, выступающую в качестве кристаллоносца, на одном конце которой выполнена петля и прикреплен грузик. Сначала грузик в раствор опускают на 10 - 12 сек, после чего грузик вынимают и высушивают. Раствор, захваченный грузиком, при испарении воды кристаллизуется с образованием на грузике множества мелких кристалликов. Через одни сутки в остывший раствор вновь погружают леску с привязанным к ней грузиком и выдерживают в растворе в течение двух суток при постоянной комнатной температуре. По истечении указанного времени раствор перейдет из пересыщенного в насыщенное состояние, а избыток вещества кристаллизуется на леске с грузиком и на дне кристаллизатора как в виде сростков кристаллов, так и в виде монокристаллов. Дальнейшее выращивание может идти двумя путями: разращивание сростка кристаллов, образовавшегося на леске с грузиком, разращивание кристаллов, образовавшихся на дне кристаллизатора. Для дальнейшего разращивания кристалла, образовавшегося на дне кристаллизатора, необходимо предварительно врастить в него петельку из лески. Петельку крепят к кристаллу пластилином, раствор переводят в пересыщенное состояние, добавив реактива, и выдерживают его в течение трех суток. Через два таких цикла пересыщения раствора леска, как правило, "врастает" в выбранный для дальнейшего выращивания кристалл. На этом процесс выращивания затравки заканчивается, ее вынимают из раствора и переходят непосредственно к процессу выращивания крупных кристаллов.

Процесс выращивания крупных кристаллов поясним на примере фиг. 1. Процесс носит циклический характер, и наиболее характерные точки цикла обозначены на фиг. 1 буквами A, B, C, D, E. Используем насыщенный раствор комнатной температуры (на фиг. 1 - T1 = Tкомн.), оставшийся после выращивания затравки (точка A на фиг. 1). Нагреваем раствор в водяной бане до 45oС (точка B, T3 = 45o). При нагреве раствор переходит из насыщенного в ненасыщенное состояние (AB). Добавлением 1,5 чайных ложки реактива, что соответствует примерно 22 г медного купороса (BC). Необходимо отметить, что раствор продолжает оставаться ненасыщенным (точка C на фиг. 1). Добиваемся полного растворения вновь введенного реактива и начинаем принудительное охлаждение раствора до температуры T2 = Tкомн. + 8o (точка D). При достижении раствором температуры на 8oС выше комнатной температуры, вводим в раствор кристаллоносец с предварительно выращенной затравкой (процесс выращивания затравки описан выше). Следует отметить, что раствор до сих пор остается ненасыщенным. Далее проводим естественное охлаждение ненасыщенного раствора до его насыщения (точка пересечения отрезка DE с кривой растворимости при температуре равновесного состояния T4), при этом идет частичное растворение затравки, что способствует получению более качественного кристалла. Продолжительность охлаждения составляет несколько часов. Продолжаем естественное охлаждение раствора, теперь уже пересыщенного, до комнатной температуры (T1 = Tкомн., фиг. 1). При этом идет кристаллизация, скорость которой увеличивается и становится максимальной при достижении раствором комнатной температуры (точка E). Суммарная продолжительность этапа естественного охлаждения раствора от момента ввода кристаллоносца с затравкой (отрезок DE) составляет примерно 6 часов. Далее проводим кристаллизацию в стационарных температурных условиях при постоянной комнатной температуре. Продолжительность этого этапа составляет трое суток. При этом интенсивность процесса кристаллизации постоянно уменьшается по мере уменьшения степени пересыщенности раствора и процесс кристаллизации прекращается в точке A, когда раствор становится насыщенным. После достижения раствором состояния насыщения кристаллоносец с кристаллом вынимают из раствора и вновь повторяют весь описанный цикл ABCDEA. Каждый цикл можно назвать приемом пересыщения. Для выращивания кристалла размером около 10 - 15 см необходимо провести порядка 20 приемов пересыщения.

Для создания подставки из сростка кристаллов под вертикально стоящим монокристаллом монокристалл разращивают в кристаллизаторе в подвешенном состоянии до достижения им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку из пластмассы с помощью пластилина и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров. Образующиеся на пластинке мелкие кристаллики закроют пластинку и образуют надежное основание крупного кристалла.

Аналогичным путем выращивают кристаллы из водных растворов и других неорганических соединений. Технология выращивания кристаллов сохраняется.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания кристаллов в домашних условиях позволяет создавать прочные, крупные и обладающие высокими декоративными свойствами кристаллы. Примеры выращенных автором по предлагаемой методике кристаллов медного купороса и красной кровной соли приведены на фиг. 2 и 3, на которых видны их качество и высокая декоративность.

Доказательством возможности получения уникальных по своим внешним параметрам кристаллов, используя предлагаемый способ, является то, что кристаллы, выращенные автором, в настоящий момент украшают экспозиции ряда крупнейших минералогических музеев Москвы: Музея землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова, минералогического музея Московской геологоразведочной академии, музея минералогии АН России.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР N 1670000 от 09.01.1989 г., Мкл C 30 B 7/00. Г. В. Руссо и др. "Способ получения кристаллов воднорастворимых соединений".

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ выращивания кристаллов путем растворения исходного вещества в воде до получения насыщенного раствора, его нагрева и последующего охлаждения, отличающийся тем, что после нагрева раствора осуществляют дополнительное растворение исходного вещества до получения ненасыщенного раствора, вводят кристаллоносец с затравкой на участке от высшей температуры нагрева раствора до точки равновесного состояния, после чего продолжают охлаждение до комнатной температуры с переходом раствора через точку равновесного состояния до получения пересыщенного раствора, и указанный цикл повторяют до образования кристаллов заданных размеров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что затравку к кристаллоносцу крепят через промежуточное звено, выполненное в виде петли.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что петлю вращивают в затравочный кристалл, предварительно закрепив ее на затравочном кристалле.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что кристалл разращивают в подвешенном к кристаллоносцу состоянии до достижении им дна кристаллизатора, после чего прикрепляют к основанию кристалла пластинку и продолжают циклы кристаллизации до получения кристаллов заданных размеров.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что пластинку изготавливают из пластмассы.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве исходных растворов используют водные растворы неорганических соединений: медного купороса CuSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 5H2O, никелевого купороса NiSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, магния сернокислого MgSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 7H2O, калия двухромовокислого K2Cr2O7, красной кровяной соли K3[Fe(CN)6], желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6] способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 3H2O, марганца двухлористого MnCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 4H2O, меди двухлористой CuCl2 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 2H2O и др.

7. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что при дополнительном растворении исходного вещества в виде воднорастворимых неорганических соединений, например CuSO4 способ выращивания кристаллов в домашних условиях, патент № 2130978 5H2O, нагрев раствора осуществляют до 45o, а введение кристаллоносца с затравкой - при температуре (Tк +8o), где Tк - комнатная температура.

Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B7/08 охлаждением раствора

Класс C30B29/10 неорганические соединения или композиции

Патенты РФ в классе C30B29/10:
способ создания на подложках монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма -  патент 2507317 (20.02.2014)
подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия -  патент 2489533 (10.08.2013)
способ получения эпитаксиальных пленок твердого раствора (sic)1-x(aln)x -  патент 2482229 (20.05.2013)
тигель для выращивания монокристаллического слитка карбида кремния с нитридом алюминия и гетероструктур на их основе -  патент 2425914 (10.08.2011)
ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура -  патент 2425184 (27.07.2011)
способ получения трехмерного фотонного кристалла на основе пленки опала с кремнием -  патент 2421551 (20.06.2011)
способ получения оптической среды на основе наночастиц sio2 -  патент 2416681 (20.04.2011)
способ получения на подложке кальций-фосфатного покрытия -  патент 2372101 (10.11.2009)
подложка для выращивания эпитаксиальных слоев нитрида галлия -  патент 2369669 (10.10.2009)
способ получения композиционного материала на основе фотонных кристаллов из оксида кремния -  патент 2358895 (20.06.2009)


Наверх