Amazing Rust.com – Bismuth krystaller

Hvordan man laver Bismuth krystaller

Bismuth krystaller

Bismuth (grundstof nr. 83 i det periodiske system) danner smukt farvede og geometrisk indviklede hopper-krystaller, som vist på billedet til venstre, når det langsomt afkøles og størkner fra sin smeltede tilstand.

Den karakteristiske, “hopperede” form af en bismuthkrystal skyldes en højere væksthastighed omkring dens yderkanter end på dens inderside. Den højere vækstrate på kanterne danner en krystal, der ser ud til at være delvist udhulet i et rektangulært-spiralformet trappetrin.

Krystallens iøjnefaldende vifte af farver skyldes dannelsen af et tyndt oxidlag på dens overflade. Farverne på bismuthkrystaller opstår på samme måde som på en sæbeboble eller en tynd film af olie på vand, hvor lys, der reflekteres fra filmens top og bund, producerer interferensmaksima af en bestemt farve afhængig af filmens tykkelse. Et tyndt lag bismuthoxid på den ellers rene bismuthkrystal bevirker, at lys af visse bølgelængder interfererer konstruktivt ved refleksion og giver anledning til den farve, der ses på overfladen. På grund af variationer i oxidlagets tykkelse har krystallen ikke én fast farve, men er snarere en regnbue af farver svarende til de bølgelængder (og farver) af lys, der interfererer konstruktivt hvert sted.
For en mere grundig forklaring af dette fænomen kan man undersøge emnet tyndfilmsinterferens.

Voksning af bismuthkrystaller

For at kunne vokse krystaller af høj kvalitet skal der anvendes meget rent bismuthmetal. En renhed på 99,99 % bismuth eller bedre foretrækkes til dyrkning af krystaller af høj kvalitet.

En anden vigtig faktor, som påvirker kvaliteten og størrelsen af bismuthkrystaller, er afkølingstiden. Større krystaller kan fremstilles ved at lade bismuth afkøle og størkne langsomt fra sin smeltede tilstand.

Bismuths smeltepunkt er relativt lavt sammenlignet med andre metaller på kun 271 °C (520 °F), hvilket er lavt nok til let at smelte ved hjælp af en lille propanbrænder eller endda en laboratorievarmeplade. Glem dog ikke, at du stadig har at gøre med meget varmt smeltet metal, som kan flyde og sprøjte ligesom enhver væske og kan forårsage smertefulde forbrændinger.

Afhængigt af mængden af bismuth, der anvendes, er en række forskellige beholdere egnede til at holde bismuth, mens det smelter. Et lille til mellemstort målebæger af stål har vist sig at fungere godt til fremstilling af bismuthkrystaller.

Trin 1: Smeltning af bismut

Sæt stykker af bismut i et målebæger af stål, og smelt dem på en varmeplade ved høj varme.

Når bismuth smelter, vil den udsatte overflade af væsken let oxidere på grund af den høje temperatur og tilstedeværelsen af ilt i den omgivende luft, hvilket resulterer i dannelsen af en grå “hud” på den øverste overflade; dette er normalt.

Trin 2: Hæld den smeltede bismuth

Når bismuth er smeltet, hældes den flydende bismuth langsomt og forsigtigt over i et andet rent, forvarmet målebæger af stål, som er forvarmet.

Gennem at overføre bismuth til en ny beholder kan man fjerne den tykke hud af oxid, der har dannet sig på bismuthens overflade, og som kan påvirke krystalvæksten negativt. Man kan langsomt hælde den rene, sølvfarvede, flydende bismuth ud fra under det grå oxidlag, som er tilbage i den oprindelige beholder.

Trin 3: Lad bismuth afkøle

Sæt bismuth, i den nye beholder, på en velisoleret og varmebestandig overflade for at afkøle og begynde at størkne. Ved at placere bismuth tilbage på varmepladen (med strømmen slukket) vil bismuth køle meget langsomt af, mens den vender tilbage til stuetemperatur.

Næsten efter at bismuth er hældt i sin nye beholder, vil et nyt oxidlag blive synligt. Det nye oxidlag vil ikke være lige så tykt som det foregående lag. Efterhånden som det nye oxidlag bliver tykkere, vil det gradvist skifte farve, da forskellige bølgelængder af lys interfererer konstruktivt efter at have reflekteret fra dets overflade (af samme grund som bismuthkrystallerne selv er farvede).

Trin 4: Hæld overskydende bismuth ud

Hæld den overskydende flydende bismuth ud i en anden beholder, før bismuth størkner helt. Lad ikke bismuth størkne helt; hvis man ikke hælder den overskydende væske ud i tide, vil krystallerne blive fanget inde i den resulterende metalklump.

Krystallerne dannes og vokser gradvist større, efterhånden som bismuth fryser. Længere væksttider resulterer normalt i større krystaller. Men hvis man venter for længe, vil den overskydende bismuth, som endnu ikke er gået ind i krystaldannelsen, størkne og indfange de krystaller, der er dannet.

Der er ingen fast tid, man skal vente, før man hælder den overskydende bismuth ud, da den vil variere alt efter forsøgets betingelser. Man kan teste bismuthens tilstand ved at lette på beholderen ved at banke på den. Hvis man ser krusninger, der bevæger sig hen over overfladen, er det meste af bismuth stadig flydende. Efterhånden som en større del af bismuthen fryser, vil krusningerne have mindre plads til at bevæge sig, og de områder, hvor der dannes krystaller, bliver synlige. Pas på ikke at forstyrre den afkølende bismuth for meget, da det kan udløse ny krystaldannelse; i stedet for at der kun dannes én (eller få) stor krystal, kan der dannes mange meget mindre krystaller.

Det kan tage flere forsøg at finde ud af, hvornår man skal hælde den overskydende flydende bismuth ud. Hvis man venter for længe, og krystallerne bliver fanget, skal man blot smelte bismuthen igen og prøve igen. Man kan endda forsøge at bruge den overskydende bismuth, der hældes fra, til at danne yderligere krystaller i sekundære beholdere.

Trin 5: Fjernelse af krystaller

Når man hælder den overskydende flydende bismuth fra, skulle man kunne se de bismuthkrystaller, der er vokset inde i beholderen. Krystallernes farve bør udvikle sig inden for få sekunder ved udsættelse for luft, idet der dannes et tyndt oxidationslag på deres overflade. Krystallerne vil sandsynligvis sidde fast i bunden og på siderne af beholderen; de vil sandsynligvis også være delvist smeltet sammen med ikke-krystallinsk bismuth. Når de er afkølet, kan man forsigtigt bryde krystallerne af fra den ikke-krystallinske bismuth inde i beholderen.

Det at lade krystallerne danne sig på beholderens indvendige overflader medfører iboende ufuldkommenheder i krystallernes form, da der altid vil være et punkt på krystallen, hvor den tidligere var fastgjort til den pågældende overflade. Man kan undgå denne ufuldkommenhed ved at anvende et lille kimkrystal af bismuth, der er suspenderet i den smeltede bismuth og fungerer som et kernepunkt under krystalvæksten. Bagefter kan man så blot løfte krystallen op af den flydende bismuth i stedet for at skulle hælde den overskydende bismuth ud i en separat beholder (som i trin 4). Man skal passe på ikke at lade frøkrystallen blive hængende for længe, da bismuth kan størkne omkring den og gøre det umuligt at trække den ud. Desuden kan krystallen vokse sig så stor, at den kan smelte sammen med andre krystaller omkring den, hvorved den også bliver fanget indeni.

Som vand/is har bismuth den interessante egenskab, at den udvider sig, når den størkner, hvilket bevirker, at ikke fastsiddende, faste bismuthkrystaller svæver i deres mere tætte, flydende omgivelser.

Billeder af store bismuthkrystaller

Nedenfor ses en billedserie af tre store bismuthkrystaller, der varierer i størrelse fra ca. 1 tomme til 3 tommer i bredden. Det er helt sikkert muligt at dyrke meget større krystaller end disse.