В романе Джонатана Свифта королева страны великанов в знак благоволения подарила Гулливеру золотое кольцо со своего мизинца. Колечко такой величины знаменитый путешественник мог свободно надеть себе на шею, не будь оно таким тяжелым. Ученые Харьковского института монокристаллов тоже могли бы сделать королеве великанов достойный подарок. Поскольку вырастили в своей лаборатории самый крупный в мире прямоугольный сапфир, размеры которого – 350х500х50 миллиметров, а вес достигает 45 килограммов.

Такой гигантский кристалл можно получить только методом горизонтальной направленной кристаллизации по оригинальной технологии, разработанной харьковскими учеными.

Этим экземпляром харьковчане начинают производство серии крупных (не имеющих аналогов) сапфиров, которые будут использоваться для работы в агрессивных средах, под большим давлением, в аэрокосмической технике, самолетостроении, при массовом производстве подложек для светодиодов. По оценкам специалистов, в ближайшие годы объем производства дешевых крупногабаритных сапфировых элементов необходимо увеличить в несколько раз. Установку "Горизонт-5" для серийного выращивания гигантских сапфиров по техническому заданию Института монокристаллов разработало и изготовило государственное Центральное КБ машиностроения "Донец" в Луганске.

Сапфир растет со скоростью восемь миллиметров в час

– Георгий Тимофеевич, как выглядит процесс производства таких больших прямоугольных сапфиров? – спрашиваю заведующего лабораторией по выращиванию крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира отдела № 15 Института монокристаллов НАНУ, лауреата государственной премии Украины в области науки и техники, кандидата физико-математических наук Г.Т. Адонкина.

– Внешне процесс выглядит просто. В молибденовый тигель ростовой установки загружается сырье – предварительно обработанный и очищенный отечественный глинозем и так называемый "затравочный" кристалл. Это своего рода эталон, который передает выращиваемому сапфиру по наследству свое структурное совершенство и определенную ориентацию кристаллической решетки, необходимую заказчику. При весе сапфира в 45 килограммов нужно около 50 килограммов глинозема. Под воздействием температуры в 2 050 градусов по Цельсию, которую обеспечивают специальные нагревательные элементы, сырье в установке плавится. Сапфир растет за 10 дней (столько длится цикл производства кристалла начиная с того момента, когда установку готовят к работе, и до вскрытия установки после полного ее остывания) со скоростью восемь миллиметров в час. Весь процесс происходит "под присмотром" автоматики, хотя в случае необходимости может вмешаться и человек.

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

– Конечно. Например, для установки "Горизонт-5" был разработан тепловой узел принципиально новой конструкции с оригинальной системой нагрева. Система состоит из двух самостоятельных независимо управляемых нагревателей. Один из них располагается над тиглем, в котором растет кристалл, другой – под ним, причем соотношение подвода тепла сверху и снизу можно изменять в соответствии с программой. Большой вклад в эту разработку внес начальник отдела № 15, доктор технических наук Александр Данько. Нужно также заметить, что выращивание такого большого сапфира может грозить деформацией кристалла – появлением трещин – из-за остаточного напряжения в образце. Мы избегаем этой опасности благодаря особому режиму его остывания. Однако несмотря на все сложности, выращивание таких больших кристаллов экономически выгодно, поскольку они могут быть по размеру и по форме максимально приближены к готовому изделию.

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

– Да, можно. В установке есть специальное окошко, чтобы можно было следить за так называемым "фронтом кристаллизации", то есть границей, с одной стороны которой виден жидкий непрозрачный расплав, а с другой – более темный и прозрачный сапфир. После полного окончания кристаллизации начинается медленное понижение мощности нагрева вплоть до полного остывания. Потом вверху установки поднимается колпак, разбирается тепловой узел и кристалл вынимается.

– Георгий Тимофеевич, есть ли у вас лично изделия из сапфира? Перстень, например?

– Я работаю с сапфиром уже больше 30 лет. За это время в институте выращено в общей сложности примерно 30-40 тонн этих кристаллов разного размера. Однако выращивать камни для ювелирных изделий с помощью нашего метода бессмысленно. Ювелирные камни изготавливаются более дешевым и простым газоплазменным методом: сапфиры до 50 миллиметров в диаметре, рубины – до 30 миллиметров. Мы же сейчас выращиваем сапфиры, размеры которых составляют минимум 220 на 240 миллиметров. За небольшим исключением, когда по требованию заказчика нужно изготовить специфические узкие и длинные окна. Перстней у меня нет, а вот в обычных наручных часах вместо стекла стоит, как и у многих, сапфир.

– Чем объяснить то, что в последние три десятилетия сапфир из красивого драгоценного камня превратился в один из перспективнейших конструкционных материалов XXI века?

– Это произошло благодаря двум вещам: возможности выращивать сапфиры искусственно и уникальному сочетанию свойств этого монокристалла. Он обладает высокой прозрачностью в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, диэлектрическими свойствами, а также имеет высокую твердость, износостойкость и теплопроводность, радиационную и химическую стойкость. Сапфир биоинертен. Все эти характеристики и определили его широкое применение в современной оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике и медицине.

Кристалл как грань между живой и неживой природой

Немногие знают, что сапфир – это драгоценная разновидность монокристаллического корунда, оксид алюминия. Хотя слово "сапфир" значит "синий", на самом деле в зависимости от примесей он может иметь фиолетовую, зеленую, желтую, розовую, темно-голубую и даже черную окраску. Бывает бесцветный сапфир – именно такую разновидность корунда обычно и выращивают искусственно для задач науки и техники.

Впервые выражение "живой кристалл" употребил профессор Харьковского национального университета им. В. Каразина Яков Евсеевич Гегузин, в конце 70-х годов прошлого столетия издавший знаменитую научно-популярную книгу именно с таким названием. Собственно говоря, люди, посвятившие свою жизнь кристаллу, давно воспринимают его как нечто живое. Кристаллы зарождаются, растут, устают, помнят, приспосабливаются к внешним условиям, стареют, отдыхают… Исследования показали, что грань между живым и неживым действительно трудно установить. Понятия "кристалл" и "жизнь" не являются взаимоисключающими, утверждают ученые. Например, простейшие живые организмы при определенных условиях могут соединяться в кристаллы.

Возраст некоторых природных кристаллов, в том числе корунда, не менее 10 миллионов лет. Такими же они предстают перед нами и сегодня. Природные драгоценные кристаллы, цвет, блеск и форма этих камней возбуждали любопытство людей со времен глубокой древности. Амулеты, сделанные из кристаллов, в воображении наших предков наделялись сверхъестественными способностями.

А сколько легенд, суеверий связано с природными кристаллами! Как говорят ученые, кристаллическое состояние вещества – одно из самых загадочных явлений в природе. С одной стороны, оно строго упорядочено. Атомы выстроены в ряды, ряды атомов – в плоскости, атомные же плоскости заполняют трехмерное пространство. Однако, с другой стороны, такой идеальный порядок может существовать в кристалле только при температуре, равной абсолютному нулю, когда кристалл мертв. При других условиях под твердыми неподвижными гранями скрываются механические движения: колебания, вращения, хаотические поступательные перемещения атомов.

Это неупорядоченное движение, интенсивность которого растет с повышением температуры, происходит до тех пор, пока кристалл находится в равновесном состоянии или, как еще говорят, в состоянии с минимумом свободной энергии. При малейшем же признаке неравновесности, например, при появлении царапин, трещинок, неоднородностях в распределении различных атомов или сжатиях – потоки атомов становятся строго направленными. И подчиняются определенной цели: избавить кристалл от неравновесности, то есть залечить его "раны", дать ему возможность выделить избыточную свободную энергию и перейти в устойчивое состояние.

Именно определенная направленность движения атомов в кристалле, не подсказанная ему, а избранная "по собственному разумению", внушает ощущение разумности такого камня.

Многие свойства сапфира ученые уже научились использовать для нужд науки и техники. Так, на опытно-промышленном производстве НТК "Институт монокристаллов" НАН Украины налажен серийный выпуск крупногабаритных оптических сапфировых элементов. Годовой объем их экспорта составляет здесь более пяти тонн. Возможно, что последнему сапфиру-рекордсмену недолго числиться в чемпионах. Установка "Горизонт-5" теоретически позволяет вырастить еще большие кристаллы – размером 500х800х50 миллиметров.