单晶好像挺难生成的。生成单晶的条件是什么?

名贵的宝石成分并不名贵,主要是因为单晶,才名贵吧。
冰这么常见的材料,大单晶都没有见过。
有没有人制造过单晶冰呢?

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4个答案
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PalaeoBeaR喜欢编程的古生物工作者

2016-10-08 11:54

先回答题主的问题

1. 生成单晶的条件是什么?

晶体的数量由成核密度决定,晶体的大小由结晶时间和生长速度决定。

而成核密度和生长速度都和过冷度()相关.

TA是液相线温度 譬如一个大气压下水的液相线温度为0℃

TB是晶体析出的实际温度

上图来自于路凤香版《岩石学》。从图中我们看出,在过冷度较低()的时候,生长速度高于成核密度,这种情况下易于形成较少、较大的晶体;而在过冷度较高()的时候,成核密度大,生长速度反而降低,这种情况下易于形成较小,但数量很多的晶体。

反过来讲,想获得大的单晶,就需要控制成核数量,因此需要较低的过冷度。而低过冷度下晶体生长速度也并不快,因此需要维持较长一段时间才能生长到足够大。显然的,因为晶体结晶过程中的焓变(放热),在相对较长的一段时间内维持低过冷度是很难的。


2. 名贵的宝石成分并不名贵,主要是因为单晶,才名贵吧。

宝石并不一定都是单晶。譬如玉石翡翠系列、欧泊、玛瑙玉髓等都是矿物集合体形态。其中一些是多种矿物的集合体(玉石类),一些是单一矿物的大量小微晶体的集合体(隐晶质 如玛瑙类),而黑曜石的形成则是岩浆剧烈降温形成的玻璃质,基本视为非晶质了。(食我岩浆水桶大法!)另外好像欧珀也是非晶质。

名贵的宝石之所以名贵,是因为又少又漂亮


3. 冰这么常见的材料,大单晶都没有见过。有没有人制造过单晶冰呢?

一块冰或者其它晶体是不是单晶并不是看外形,因为只有在空间上没有限制的情况下,晶体才会有其自身的特定形状,称之为“自形”。在有局限性的空间内,晶体会受到影响,甚至直接生长成空间本身的形状,这和在碗里结冰是一样的。

若想制造出一个大的单晶,首先要减少晶核的数量。1、减少溶液中的杂质。2、容器内壁尽量光滑。然后往往是先提供一个小的晶体作为核,再其基础上生长。

虽然自然界和人工生成的冰往往都不是单晶,但是一个单晶的到底要多大,只有在偏光显微镜下才能知道。

其实人类每天都在生产大个的单晶,譬如芯片生产的第一步就是从沙子(SiO2)中提取硅然后提纯,制造单晶硅柱,之后切片晒图什么的。这些直径6到18英寸不等的柱状单晶硅都是大的单晶,但不是宝石...



综上:大个的单晶并不一定都是宝石,宝石也不一定都是单晶

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另指出 @猫帝国卧底蓝星观察员 的一个错误:

天然的冰(冰川等)是矿物!!!

矿物的定义:

矿物是自然界中的化学元素,在一定的物理、化学条件下形成的天然物体。

——《结晶学与矿物学》 赵珊茸版

矿物可是是晶体,也可以是非晶质体

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穿长靴的柴郡猫弱爆了的前工科男

2016-10-09 20:40
支持者: PalaeoBeaR

作为一个“烤过盐”的人,我大概的说一下,单晶体生长需要满足以下条件:

1.只能有唯一的晶核,实际操作的时候就是那一粒单晶做“种子”;

2.原料一定要纯净,杂质会干扰晶格的堆砌,产生缺陷,然后一不小心就“独立”出新的晶核,然后就没有然后了···

3.熔融态必须维持在稳定的温度范围内,温度不稳定的话单晶就会长出“迷人的曲线”(雾~);

4.提拉和旋转的速度必须稳定,理由同上(不过3/4条都是机器操作的,出问题的概率还是比较小的);

5.耐心的等吧~

6.“种子”一定要插对方向!“种子”一定要插对方向!“种子”一定要插对方向!

P.S.烤出来的拔丝的盐其实一点也不咸~


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支持者: PalaeoBeaR

宝石不是因为它的成分和单晶才名贵,是因为它的储藏量稀少才显得贵重
而且也不是成分单一的宝石才珍贵,某些宝石中含有的“杂质”会让宝石的颜色不同,因而也更贵。比如粉红色的钻石(含有氮元素)比白钻石更珍贵。

所有的宝石都是矿物,冰显然不是。

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楼上说的对,宝石名贵是因为稀缺,而不是因为单晶。

有的东西是单晶很容易,然而根本不名贵,比如食盐、冰糖;

有的东西晶体小到看不见,然而依然贵重,比如黄金。

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