» » Кристаллы-деревья

Кристаллы-деревья

Кристаллы-деревья

На фото — не отпечатки древних растений, а кристаллы пиролюзита в зольнхофенском известняке (масштабная шкала внизу фото дана в миллиметрах). Такие формы кристаллов из-за их сходства с настоящими деревьями называются дендритами, от греческого ??????? — «дерево». Иногда их и правда принимают за отпечатки растений.

Пиролюзит MnO2 чаще всего встречается в виде скрытокристаллических агрегатов (то есть таких, в которых кристаллы неразличимы глазом), напоминающих почки, сажу или землю — такие формы выделений так и называются: почковидные, сажистые или землистые. Этот черный минерал с металлическим блеском образует осадочные месторождения марганца и имеет промышленное значение. В месторождениях он встречается вместе с другими марганцевыми и железистыми оксидами и гидроксидами — гаусманитом, манганитом, браунитом, псиломеланом, лимонитом.


Кристаллы-деревья

Различные формы пиролюзита: a — тонкоигольчатые кристаллы, b — скрытокристаллическая почковидная форма. фото с сайта mindat.org


В виде дендритов пиролюзит встречается нечасто: для их образования нужны специфические условия. Дендритные формы кристаллов являются разновидностью скелетных кристаллов (см. картинку дня Скелетная шпинель), которые расщепились в процессе роста на отдельные ветви. Расщепление происходит, как правило, в стесненных условиях и/или при неравномерном процессе кристаллизации — например, при резком падении температуры раствора или когда питающий раствор негомогенный. Рост кристалла начинается с зародыша — центра кристаллизации. Если параметры раствора (температура, давление, концентрация соединений) со временем не меняются или меняются слабо, то будет образовываться кристалл правильной формы. Однако если один или несколько параметров меняются быстро, образование зародышей тоже будет происходить быстрее, и они будут слипаться между собой. Поступление вещества (диффузия) к растущим зародышам становится еще более неравномерным, и, как следствие, образуются характерные ветвящиеся формы. Направление роста «веточек» происходит в сторону наиболее интенсивного массопереноса — то есть по направлению поступления питающего раствора. Сам процесс образования дендрита принято называть дендритовым ростом.


Кристаллы-деревья

Дендриты пиролюзита (черного цвета) в зольнхофенском известняке. фото с сайта commons.wikimedia.org. О других находках в зольнхофенском известняке см. новость Птерозавры-рамфоринхи охотились на головоногих моллюсков юрского периода и картинку дня Загадочные тилакоцефалы с большими глазами


Дендриты бывают двухмерными и трехмерными. Двухмерные дендриты вырастают на поверхности тонких трещин горных пород. Трехмерные дендриты растут в открытых пустотах горных пород. Так, рост кристаллов пиролюзита с главного фото происходил в трещине известняка, по которой проходил раствор, обогащенный марганцем.


Кристаллы-деревья

Двухмерные (a, b, c) и трехмерные (d, e, f) дендриты. a — дендриты гётита в слое агата; b — дендриты гидроксидов железа в кварце, развивающиеся внутри трещины; c — дендриты окислов марганца в халцедоне; d — самородное золото; e — дендрит самородной меди; f — дендрит самородной меди из трещины в медистом кварците, покрыт тонкой корочкой малахита и атакамита. фото ad, f — c сайта mindraw.web.ru, e — с сайта museum.ru


Дендриты образуются не только в природе, но и в литейном производстве. Размер дендритных кристаллов является важным фактором, определяющим свойства литых сплавов. Например, если расплав охлаждать медленно, то и новые дендриты будут образовываться медленно, и в итоге они будут крупнее. И наоборот, если охлаждение будет быстрым, количество дендритов будет больше, а их итоговый размер меньше. Чем мельче дендриты, тем лучше механические и технологические свойства у готовой продукции, но полностью избавиться от дендритов сложно.

Первым обратил внимание на дендриты в сталях российский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Он всесторонне исследовал систему железо–углерод и заложил основы металлографии. В честь него был назван один из самых крупных металлических дендритов, обнаруженных при выплавке металла, — кристалл Чернова: его высота 39 см, а масса — 3,45 кг.


Кристаллы-деревья

Кристалл Чернова. фото © Владимир Коробицын с сайта zvezdaweekly.ru


Ввиду того, что дендриты напрямую влияют на свойства получаемых сплавов, изучение дендритного роста важно для промышленности. В 1990-х годах НАСА провел эксперимент по изучению роста дендритов в невесомости. В земных условиях, из-за наличия гравитации, в растворе или расплаве возникают участки с неравномерной концентрацией элементов и, как следствие, с неравномерной диффузией вещества к растущим граням. То есть дендриты растут в неоднородной среде. Чтобы избежать влияния гравитации, сотрудники НАСА спроектировали прибор с дистанционным управлением, позволяющий контролировать ход эксперимента с Земли (при этом сам аппарат находился на орбите). В качестве модельных веществ в первых двух экспериментах выступал динитрил янтарной кислоты, в третьем — пивалиновая кислота (см. Pivalic acid). Динитрил янтарной кислоты использовался в качестве аналога черных металлов (железа и сплавов на его основе, марганца, хрома, ванадия), пивалиновая кислота — аналога цветных металлов (меди, свинца, олова, алюминия, титана и других). Благодаря эксперименту была получена информация о формах вершин дендритных кристаллов и влиянии условий охлаждения на их рост, что важно для теории роста кристаллов.

Однако с дендритным ростом исследователи столкнулись гораздо раньше. Соединения, способные кристаллизоваться в виде «деревьев», были известны еще средневековым алхимикам. Наиболее известны Дерево Дианы (см. Diana's Tree) и Дерево Сатурна. В первоначальных рецептах слабую азотную кислоту смешивали с ртутью, серебром (Дерево Дианы) или свинцом (Дерево Сатурна; Сатурн — алхимическое название свинца). В получившемся растворе происходила кристаллизация амальгамы в форме дерева. Такие «деревья» настолько впечатляли средневековых алхимиков, что они верили в существование «живых» кристаллов.

Рост кристаллов происходит на затравке из амальгамы серебра и ртути. В качестве раствора — азотная кислота с растворенными в ней ртутью и серебром

Опыты с деревьями не потеряли своей актуальности до сих пор. Проводились, например, эксперименты с медью и водным раствором нитрата серебра: растворы смешивали и фиксировали процесс роста в них дендритов. Такая постановка эксперимента во многом напоминает опыты, которые ставили средневековые алхимики.


Кристаллы-деревья

Дерево Дианы. Кристаллизация амальгамы серебра в воде. фото с сайта pinterest.ru


Но, наверное, самая распространенная форма дендритов — это кристаллы льда на оконных стеклах. Появление дендритов льда напрямую зависит от условий охлаждения. В интервале температур от 0 до минус 6°C на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда, и дендриты не образуются. Но если охлаждение поверхности стекла начинается при положительной температуре и высокой относительной влажности, то на его поверхности вначале отлагается пленка воды, которая уже при понижении температуры кристаллизуется в виде дендритов.


Кристаллы-деревья

Дендриты льда на оконном стекле. фото © Gary Lane с сайта wapitisriversedge.wordpress.com


В качестве центров кристаллизации выступают дефекты поверхности стекла — микроскопические царапины, сколы, трещины. При этом форма дендритов в верхней и в нижней части стекла отличается: внизу, где под действием силы тяжести скапливается больше воды, дендриты, как правило, больше. В верхней части стекла, где пленка воды меньше, дендриты, соответственно, тоньше.

фото с сайта en.wikipedia.org, масштабная шкала дана в миллиметрах.

Александр Марфин

20 июль 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Создан новый метод датировки древних землетрясений

Команда ученых представила новый метод определения возраста кристаллов, выросших во время повторной активации естественных трещин в горных породах. Временной диапазон нового метода достигает

Исследователи обнаружили неизвестный сигнал в мозге человека

Ни для кого из нас не секрет, что мозг — самый сложный и малоизученный орган человеческого тела. В ходе работы мозг использует систему соединенных клеток, называемых нейронами, которые обмениваются

Двойное лучепреломление

На фото — крупные фрагменты кристаллов поваренной соли (минерал галит) и исландского шпата (минерал кальцит)...

Висмут

  На фото — висмут, серебристый металл, известный красивой и необычной формой кристаллов...

На самом деле спиртные напитки не убивают клетки мозга

Если только вы не допились до комы Этиловый спирт действительно уничтожает живые клетки, в том числе нейроны, однако как показывают исследования Грете Йенсен и её коллег, количества алкоголя, которое

5 нераскрытых тайн простой воды

В старой доброй формуле H2O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода – источник жизни и самая известная жидкость в мире – таит в себе множество загадок, неподвластных даже
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Самые большие извержения вулканов в истории человечестваУченые создали крошечную камеру в виде рюкзака для жуковЧем занимается наш мозг во сне?Жизнь в свое удовольствие. Без телевизоров и компьютеровГде рождаются нейтрино высоких энергий?15 лучших цитат Альберта Эйнштейна о науке и жизниЧужая ностальгия: изобилие американских магазинов 60-х годовНа Земле нашли еще один континент. Да, вот так сразу