Основные задачи курса

1. Изучение основ теории зарождения, механизма и кинетики роста кристаллов.

2. Формирование представлений о теоретически возможных, равновесных и реализующихся в процессе роста формах кристаллов и влиянии условий кристаллизации на габитус, микро- и макроморфологию граней и внутреннюю однородность кристаллов.

3. Приобретение студентами знаний о кристаллообразовании в минералообразующих системах на основе экспериментальных исследований и теоретических концепций.

4. Получение базовых представлений о современных методах выращивания кристаллов и управления их дефектной структурой, особенностях роста кристаллов из различных сред и критериях выбора методов их выращивания.

5. Развитие у студентов практических навыков работы с основной аппаратурой для роста кристаллов и исследования их морфологии.

Объем дисциплины: составляет 8 зачетные единицы, в том числе 142 академических часа, отведенных на контактную работу обучающихся с преподавателем (42 часов – занятия лекционного типа, 52 часа лабораторных работ, 48 часа – занятия семинарского типа, 146 часов на самостоятельную работу обучающихся. Форма промежуточной аттестации – зачет, экзамен

Содержание 5 семестра
Рассматриваются термодинамические аспекты процессов гомогенного и гетерогенного зародышеобразования, кинетика и механизмы роста и морфологические особенности кристаллов, а также образование дефектов и взаимосвязь между условиями роста и реальной структурой. Обсуждаются основные теоретические модели роста кристаллов.

1. Основные типы вещества. Среды кристаллизации. Равновесие «кристалл-среда».
2. Движущая сила кристаллизации: химический потенциал, величина пересыщения/переохлаждения для кристаллизационной среды. Равновесные формы кристаллов.
3. Термодинамические аспекты гомогенного и гетерогенного зародышеобразования. Скорость нуклеации. Теории зародышеообразования.
4. Механизмы роста кристаллов. двумерное зародышеобразование, послойный, нормальный и спиральный рост, строение межфазовой границы, краевые и винтовые дислокации.
5. Зависимость морфологии кристаллов от пересыщения: огрубление границы жидкость–кристалл, соотношение между величиной пересыщения и скоростью роста, лимитирующая стадия процесса роста, диффузионный и кинетический режимы роста кристаллов.
6. Захват примесей: гомогенный, гетерогенный захват, зонарная, секториальная, структурная неоднородности, коэффициенты распределения примеси. Влияние примесей на процессы роста и морфологию кристаллов. Роль сильно адсорбирующей примеси.

Содержание 6 семестра
В 6 семестре предусматривается проведение лабораторных исследований, целью которых является практическое закрепление основных понятий и представлений о теоретически возможных, равновесных и реализующихся в процессе роста формах кристаллов и влиянии условий кристаллизации на габитус, микро- и макроморфологию граней и внутреннюю однородность кристаллов.

1. Ортотропизм. Исследование влияния переохлаждения на форму роста кристаллов салола и тиосульфата натрия
2. Исследование влияния концентрации раствора на форму кристаллов
3. Исследование влияния примесей на форму кристаллов
4. Выращивание кристаллов из низкотемпературных водных растворов.
5. Выращивание кристаллов из перегретых водных растворов (гидротермальный синтез).
6. Анализ результатов экспериментов по выращиванию кристаллов, полученных из низкотемпературных водных растворов и методом гидротермального синтеза.
7. Выращивание кристаллов из высокотемпературных растворов. Постановка эксперимента по раствор-расплавной кристаллизации.

Содержание 7 семестра
В 7 семестре рассматриваются методы выращивания кристаллов, в частности, получение объемных кристаллов из собственных расплавов, водных растворов, газовой фазы. Особое внимание уделяется общим принципам проведения экспериментальных исследований, а также освещаются вопросы аппаратурного обеспечения и оборудования ростовых лабораторий, которые являются неотъемлемой частью технологии выращивания кристаллов.

1. Общие требования к аппаратуре и оборудованию ростовой лаборатории. Общие понятия о лабораторной теплотехнике.
2. Физико-химические основы кристаллизации. Классификация процессов кристаллизации. Общие положения, классификация методов.
3. Выращивание из собственного расплава. «Консервативные» и «неконсервативные» методы. Методы Таммана, Обреимова и Шубникова, направленная кристаллизация по методу Бриджмена – Стокбаргера, Багдасарова. Методы вытягивания из расплава: Чохральского, Киропулоса, дифференциального вытягивания, метод гарниссажа, метод Степанова. Зонная плавка. Метод Вернейля. Образование дефектов в кристаллах, выращенных из расплавов.
4. Выращивание из растворов. Выращивание кристаллов из низкотемпературных растворов. Гидротермальный синтез. Раствор-расплавная кристаллизация (метод флюса).
5. Выращивание из газовой фазы. Методы физической конденсации. Методы кристаллизации с участием химических реакций.
6. Генезис монокристаллов в природе. Первичная магматическая кристаллизация. Рост кристаллов в пегматитах. Пневматолитовые и гидротермальные процессы Экзогенные, метаморфические образования.

Содержание 8 семестра
Обсуждаются основные физические свойства кристаллов, а также применение их в науке и технике. Акцентируется внимание на основных этапах разработки технологии выращивания кристаллических материалов и особенностях выращивания кристаллов ряда функциональных соединений. Рассматривается основные тенденции экспериментальной минералогии и рост кристаллов в аспекте геологических процессов.

1. Физические свойства синтетических кристаллов. Применение кристаллов в науке и технике: история вопроса, современные тенденции.
2. Классификация функциональных кристаллов. Основные стадии разработки технологии кристаллических материалов.
3. Выращивание монокристаллов корунда и его разновидностей:(а) сравнительная характеристика методов кристаллизации;(б) морфология кристаллов;(в) области применения. Получение кристаллов структурных аналогов граната: морфология кристаллов; свойства и области применения.
4. Выращивание монокристаллов ортогерманата висмута и его структурных аналогов: состав, структура, свойства и области применения. Кристаллизация шпинели, циркона, фианита, берилла, хризоберилла, оксиорто- и пиросиликатов. Технология полупроводниковых материалов: выращивание кристаллов кремния.
5. Корреляция между составом, строением и свойствами боратов и их расплавов. Диаграммы состояния и выращивание функциональных нелинейно-оптических кристаллов метабората бария, трибората лития и их производных, а также монокристаллов оксиортоборатов.
6. Выращивание монокристаллов кварца:(а) аппаратурное обеспечение процесса, (б) P-V-T-параметры, растворимость, (в) синтез цветных разновидностей кварца (аметист, цитрин, зелёный и розовый кварц),(г) дефекты роста и способы их устранения,(д) свойства и применение кристаллов.
7. Оптический кальцит: (а) генезис и морфология кристаллов исландского шпата,(б) основные методы выращивания монокристаллов,(в) кинетика кристаллизации на затравках разной ориентации,(г) реальная структура,(д) физические свойства и применение.
8. Выращивание монокристаллов цинкита и берлинита. Структура, свойства и применение. Выращивание кристаллов калий-титанил фосфата. Состав, структура, морфология. Свойства и области применения. Выращивание кристаллов из водных растворов (на примере KDP).
9. Рост кристаллов в аспекте геологических процессов. Экспериментальная минералогия. Современные тенденции. Цели и задачи экспериментальной минералогии. Примеры решения классических задач. Современные тенденции и проблемы минералогического эксперимента. Из глубин Земли в космическое пространство.

Используемая литература

Основная

1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. М.: Физматлит, 2004, 160 с.
2. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
3. Вильке К.Т. Методы выращивания кристаллов. — М.: Недра, 1977, 600 с.
4. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1980, 368 с.
5. Леонюк Н.И., Копорулина Е.В., Волкова Е.А., Мальцев В.В. Кристаллография: зарождение, рост и морфология кристаллов. М: Юрайт, 2020, 152 с.
6. Леонюк Н.И., Лютин В.И., Мальцев В.В. Выращивание монокристаллов и моделирование процессов минералообразования. Учебное пособие. М: Изд. МГУ, 2005, 103 с.
7. Майер А.А. Процессы роста кристаллов: учеб. пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева. 1999, 176 с.
8. Мурашкевич А.Н., Жарский И.М. Теория и методы выращивания монокристаллов : учеб. пособие для студентов специальности «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий». Минск: БГТУ, 2010, 214 с.
9. Палатник Л.С., Папиров И.И. Ориентированная кристаллизация. М.: Металлургия, 1964, 407 с.
10. Пфанн В.Дж. Зонная плавка; пер. с англ. М.: Мир, 1970, 387 c.
11. Синтез минералов. В 3-х томах. Александров: Изд. ВНИИСИМС, 2000.
12. Современная кристаллография. В 4 т. Т. 3. Образование кристаллов. М.: Наука, 1980, 430 с.
13. Тимофеева В.А. Рост кристаллов из растворов-расплавов. М.: Наука, 1978, 268 с.
14. Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура. М.: Мир, 1969, 420 с.
15. Урусов В.С., Таусон В.Л., Акимов В.В. Геохимия твердого тела. М.: ГЕОС, 1997, 500 с.
16. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М.: Иностранная литература, 1961, 224 с.

    Дополнительная

17. Григорьев Д.П., Жабин А.Г. Онтогения минералов: Индивиды М.: Наука, 1975, 340 с.
18. Козлова О.Г. Морфолого-генетический анализ кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1991, 223 с.
19. Краснова Н.И., петров Т.Г. Генезис минеральных индивидов и агрегатов. СПб.: Невский курьер, 1997, 228 с.
20. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974, 540 с.
21. Мейер К. Физико-химическая кристаллография. М.: Металлургия, 1972, 480 с.
22. Петров Т.Г. Выращивание кристаллов из растворов. — Л.: Недра, 1983, 200 с.
23. Bohm J. The history of crystal growth. ActaPhysicaHungarica. 57 (1985) 161—178.
24. Byrappa K, Yoshimura Masahiro. Handbook of Hydrothermal Technology. William Andrew Inc. 2001, 893p.
25. Scheel H.J. Historical aspects of crystal growth technologyю J. Cryst. Growth. 211 (2000) 1—12.

Лекторы:

1. Копорулина Елизавета Владимировна, старший преподователь, кандидат геол.-мин. наук

   

2. Волкова Елена Александровна, ассистент, кандидат геол.-мин. наук

   

3. Мальцев Виктор Викторович, снс, кандидат геол.-мин. наук