Amazing Rust.com – Viszmut kristályok

Hogyan készítsünk vismut kristályokat

Viszmut kristályok

A vismut (a periódusos rendszer 83. eleme) gyönyörű színű és geometrikusan bonyolult trópusi kristályokat alkot, mint a bal oldali képen látható, ahogy lassan lehűl és megszilárdul olvadt állapotából.

A bizmutkristályok jellegzetes, “komlós” alakja abból adódik, hogy a külső szélei körül nagyobb a növekedés üteme, mint a belső oldalán. A nagyobb növekedési sebesség a széleken olyan kristályt képez, amely részben üregesnek tűnik, téglalap alakú spirális lépcsőfokok formájában.

A kristály szemet gyönyörködtető színskálája a felületén kialakuló vékony oxidrétegből ered. A színek a bizmutkristályokon hasonló módon keletkeznek, mint egy szappanbuborékon vagy egy vékony olajrétegen a vízen, ahol a réteg tetejéről és aljáról visszaverődő fény a réteg vastagságától függően adott színű interferencia-maximumokat hoz létre. Az egyébként tiszta bizmutkristályon lévő vékony bizmut-oxid réteg bizonyos hullámhosszúságú fényt a visszaverődéskor konstruktív interferenciát okoz, ami a felületen látható színt eredményezi. Az oxidréteg vastagságának változása miatt a kristály nem egyszínű, hanem az egyes helyeken konstruktívan interferáló fény hullámhosszának (és színének) megfelelő szivárványszíneket alkot.
A jelenség alaposabb magyarázatáért kutasson a vékonyréteg-interferencia témakörben.

Vizmutkristályok növesztése

A jó minőségű kristályok növesztéséhez nagyon tiszta bizmutfémet kell használni. A 99,99%-os vagy annál jobb tisztaságú bizmutot előnyben részesítik a jó minőségű kristályok növesztéséhez.

A másik fontos tényező, amely befolyásolja a bizmutkristályok minőségét és méretét, a hűtési idő. Nagyobb kristályokat lehet előállítani, ha hagyjuk a bizmutot az olvadt állapotból lassan lehűlni és megszilárdulni.

A bizmut olvadáspontja más fémekhez képest viszonylag alacsony, mindössze 271 °C (520 °F), ami elég alacsony ahhoz, hogy egy kis propánlámpa vagy akár egy laboratóriumi főzőlap segítségével könnyen megolvadjon. Ne felejtsük el azonban, hogy még mindig nagyon forró olvadt fémmel van dolgunk, amely ugyanúgy folyhat és fröcskölhet, mint bármely folyadék, és fájdalmas égési sérüléseket okozhat.

A felhasznált bizmut mennyiségétől függően különböző tartályok alkalmasak a bizmut olvadás közbeni tárolására. Egy kis és közepes méretű, acélból készült, mérőpohárról kimutatták, hogy jól működik a bizmutkristályok elkészítéséhez.

1. lépés: A bizmut megolvasztása

Tegye a bizmutdarabokat egy acél mérőpohárba, és olvassa meg egy forró lemezen, magas hőfokon.

Amint a bizmut megolvad, a folyadék szabad felülete a magas hőmérséklet és a környezeti levegőben lévő oxigén jelenléte miatt könnyen oxidálódik, aminek következtében a felső felületen szürke “bőr” képződik; ez normális.

2. lépés: Az olvadt bizmut kiöntése

A bizmut megolvadása után lassan és óvatosan öntse a folyékony bizmutot egy másik tiszta, előmelegített acél mérőpohárba.

A bizmut új edénybe való átöntésével eltávolítható a bizmut felületén képződött vastag oxidhártya, amely negatívan befolyásolhatja a kristályok növekedését. Lassan ki lehet önteni a tiszta, ezüstös, folyékony bizmutot a szürke oxidréteg alól, amely az eredeti edényben visszamaradt.

3. lépés: Hagyjuk a bizmutot lehűlni

A bizmutot az új tartályban egy jól szigetelt és hőálló felületre helyezzük, hogy lehűljön és elkezdjen megszilárdulni. Ha visszahelyezi a bizmutot a forró lemezre (kikapcsolt áramellátás mellett), akkor a bizmut nagyon lassan lehűl, miközben visszatér a szobahőmérsékletre.

Nem sokkal azután, hogy a bizmutot az új edényébe öntötte, láthatóvá válik egy új oxidréteg. Az új oxidréteg nem lesz olyan vastag, mint az előző réteg. Ahogy az új oxidréteg vastagabbá válik, fokozatosan változtatja a színét, mivel a különböző hullámhosszúságú fény konstruktívan interferál, miután visszaverődik a felületéről (ugyanazon okból, amiért maguk a bizmutkristályok is színesek).

4. lépés: A felesleges bizmut kiöntése

Mielőtt a bizmut teljesen megszilárdulna, öntse ki a felesleges folyékony bizmutot egy másik edénybe. Ne hagyjuk, hogy a bizmut teljesen megszilárduljon; ha nem öntjük ki időben a felesleges folyadékot, a kristályok csapdába esnek a keletkező fémdarab belsejében.

A kristályok kialakulnak és fokozatosan megnőnek, ahogy a bizmut megfagy. A hosszabb növekedési idő általában nagyobb kristályokat eredményez. Ha azonban túl sokáig várunk, a felesleges bizmut, amely még nem ment bele a kristályképződésbe, megszilárdul, és csapdába ejti a már kialakult kristályokat.

Nincs meghatározott idő, amit várni kell a felesleges bizmut kiöntése előtt, mivel ez a kísérlet körülményeitől függően változik. A bizmut állapotát az edényre való világító kopogtatással lehet tesztelni. Ha fodrozódást látunk a felszínen, akkor a bizmut nagy része még folyékony. Ahogy a bizmut egyre nagyobb része megfagy, a hullámoknak egyre kevesebb helyük lesz a mozgáshoz, és láthatóvá válnak azok a területek, ahol kristályok képződnek. Vigyázzunk, hogy ne zavarjuk meg túlságosan a kihűlő bizmutot, mert ez újabb kristályképződést indíthat el; ahelyett, hogy csak egy (vagy néhány) nagy kristály keletkezne, sok, sokkal kisebb kristály képződhet.

Ez több próbálkozásra is szükség lehet ahhoz, hogy rájöjjünk, mikor kell kiönteni a felesleges folyékony bizmutot. Ha túl sokáig várunk, és a kristályok csapdába esnek, csak olvasszuk újra a bizmutot, és próbáljuk meg újra. Meg lehet próbálni azt is, hogy a leöntött felesleges bizmutot további kristályok kialakítására használjuk másodlagos tartályokban.

5. lépés: A kristályok eltávolítása

A felesleges folyékony bizmut leöntése után látni kell a tartály belsejében nőtt bizmutkristályokat. A kristályok színének másodperceken belül ki kell alakulnia a levegőn, ahogy a felületükön vékony oxidációs réteg képződik. A kristályok valószínűleg az edény aljára és oldalára tapadnak; valószínű, hogy részben összeolvadtak a nem kristályos bizmutokkal is. Miután kihűltek, óvatosan le lehet törni a kristályokat a tartály belsejében lévő nem kristályos bizmutról.

Az, hogy a kristályok a tartály belső felületein alakulnak ki, a kristályok alakjában eredendő tökéletlenségeket okoz, mivel mindig lesz egy pont a kristályon, ahol korábban az adott felülethez kapcsolódott. Ezt a tökéletlenséget el lehet kerülni, ha az olvadt bizmutban felfüggesztett kis vismutmagkristályt használunk, amely a kristálynövekedés során magképződési pontként működik. Ezután egyszerűen ki lehet emelni a kristályt a folyékony bizmutból, ahelyett, hogy a felesleges bizmutot egy külön tartályba kellene kiönteni (mint a 4. lépésben). Vigyázzunk, hogy a csírakristályt ne hagyjuk túl sokáig függőben, mert a bizmut megszilárdulhat körülötte, és lehetetlenné teheti a kiemelését. Ráadásul a kristály olyan nagyra nőhet, hogy összeolvadhat a körülötte lévő többi kristállyal, így szintén csapdába eshet.

A vízhez/jéghez hasonlóan a bizmutnak is megvan az az érdekes tulajdonsága, hogy megszilárdulás közben tágul, így a nem kötött, szilárd bizmutkristályok lebegnek a sűrűbb, folyékonyabb környezetükben.

Nagyméretű bizmutkristályok képei

Az alábbiakban három nagyméretű bizmutkristály képsorozata látható, amelyek mérete körülbelül 1 hüvelyk és 3 hüvelyk közötti. Bizonyára lehetséges ennél sokkal nagyobb kristályokat is növeszteni.