Amazing Rust.com – Bismutkristaller

Hur man gör bismutkristaller

Bismutkristaller

Bismut (grundämne nr 83 i det periodiska systemet) bildar vackert färgade och geometriskt invecklade trattkristaller, som visas på bilden till vänster, när det långsamt svalnar och stelnar från sitt smälta tillstånd.

Den utmärkande, ”hoppformade” formen på en vismutkristall beror på en högre tillväxttakt runt dess ytterkanter än på dess insida. Den högre tillväxthastigheten på kanterna bildar en kristall som verkar vara delvis urholkad i en rektangulär-spiralformad trappstegsdesign.

Kristallens iögonfallande färgskala är resultatet av bildandet av ett tunt oxidskikt på dess yta. Färgerna på vismutkristaller uppstår på ett liknande sätt som på en tvålbubbla eller en tunn film av olja på vatten där ljus som reflekteras från filmens över- och undersida ger upphov till interferensmaxima av en viss färg beroende på filmens tjocklek. Ett tunt skikt av vismutoxid på den annars rena vismutkristallen gör att ljus med vissa våglängder interfererar konstruktivt vid reflektion och ger upphov till den färg som syns på ytan. På grund av variationer i oxidskiktets tjocklek har kristallen inte en fast färg utan snarare en regnbåge av färger som motsvarar de våglängder (och färger) av ljuset som interfererar konstruktivt på varje plats.
För en mer ingående förklaring av detta fenomen kan man undersöka ämnet tunnfilmsinterferens.

Växt av vismutkristaller

För att odla kristaller av hög kvalitet måste mycket ren vismutmetall användas. En renhet på 99,99 % vismut, eller bättre, är att föredra för att odla högkvalitativa kristaller.

En annan viktig faktor som påverkar kvaliteten och storleken på vismutkristaller är kyltiden. Större kristaller kan framställas genom att låta vismut svalna och stelna långsamt från sitt smälta tillstånd.

Smältpunkten för vismut är relativt låg jämfört med andra metaller, endast 271 °C (520 °F), vilket är tillräckligt lågt för att lätt smälta med hjälp av en liten propanbrännare eller till och med en laboratorievärmeplatta. Glöm dock inte att du fortfarande har att göra med mycket varm smält metall, som kan flyta och skvätta precis som vilken vätska som helst och kan orsaka smärtsamma brännskador.

Avhängigt av volymen bismut som används är en mängd olika behållare lämpliga för att hålla bismutet medan det smälter. En liten till medelstor mätbägare av stål har visat sig fungera bra för att förbereda vismutkristaller.

Steg 1: Smälta vismut

Placera bitar av vismut i en stålmåttbägare och smält dem på en värmeplatta vid hög värme.

När vismut smälter kommer den exponerade ytan av vätskan att oxideras lätt på grund av den höga temperaturen och närvaron av syre i den omgivande luften, vilket resulterar i att det bildas ett grått ”skinn” på den övre ytan; detta är normalt.

Steg 2: Häll den smälta vismut

När vismuten har smält häller du långsamt och försiktigt upp den flytande vismuten i en annan ren, förvarmad mätbägare i stål.

Om man överför vismut till en ny behållare kan man avlägsna det tjocka skinnet av oxid som har bildats på vismutens yta och som kan påverka kristalltillväxten negativt. Man kan långsamt hälla ut den rena, silverglänsande, flytande vismut från under det grå oxidskiktet som ligger kvar i den ursprungliga behållaren.

Steg 3: Låta bismut svalna

Ställ bismut, i sin nya behållare, på en välisolerad och värmebeständig yta för att svalna och börja stelna. Genom att placera bismuten tillbaka på värmeplattan (med strömmen avstängd) kan bismuten svalna mycket långsamt när den återgår till rumstemperatur.

Inte länge efter att ha hällt bismuten i sin nya behållare kommer ett nytt oxidationsskikt att bli synligt. Det nya oxidlagret kommer inte att vara lika tjockt som det tidigare lagret. När det nya oxidskiktet blir tjockare kommer det gradvis att ändra färg eftersom olika våglängder av ljus interfererar konstruktivt efter att ha reflekterats från dess yta (av samma anledning som bismutkristallerna själva är färgade).

Steg 4: Hälla ut överflödig vismut

För att vismuten ska stelna helt, häll ut överskottet av flytande vismut i en annan behållare. Låt inte vismuten stelna helt; om man inte häller ut den överflödiga vätskan i tid kommer kristallerna att fastna i den resulterande metallklumpen.

Kristallerna kommer att bildas och växa sig allt större när vismuten fryser. Längre tillväxttider resulterar vanligtvis i större kristaller. Men om man väntar för länge kommer den överflödiga vismut som ännu inte har gått åt till att bilda kristallen att stelna och fånga in de kristaller som har bildats.

Det finns ingen bestämd tid som man måste vänta innan man häller ut den överflödiga vismuten eftersom den kommer att variera beroende på förhållandena i experimentet. Man kan testa vismutens tillstånd genom att ljustappa på behållaren. Om man ser krusningar som rör sig över ytan är större delen av vismut fortfarande flytande. När mer av vismut fryser har krusningarna mindre utrymme att färdas och de områden där kristaller bildas blir synliga. Se till att inte störa den kylande vismuten för mycket eftersom det kan utlösa ny kristallbildning; i stället för att bara producera en (eller några) stora kristaller kan många mycket mindre kristaller bildas.

Det kan ta flera försök för att få grepp om när man ska hälla ut den överflödiga flytande vismuten. Om man väntar för länge och kristallerna fastnar är det bara att smälta om vismuten och försöka igen. Man kan till och med försöka använda den överflödiga vismut som hälls ut för att bilda ytterligare kristaller i andra behållare.

Steg 5: Avlägsna kristaller

Efter att ha hällt bort överskottsvätskan av vismut bör man kunna se vismutkristallerna som vuxit fram inuti behållaren. Kristallernas färg bör utvecklas inom några sekunder vid exponering för luft då ett tunt oxidationsskikt bildas på deras yta. Kristallerna kommer troligen att sitta fast på behållarens botten och sidor; de kommer också troligen att vara delvis sammansmält med icke-kristallin vismut. När de svalnat kan man försiktigt bryta av kristallerna från den icke-kristallina vismuten inuti behållaren.

Att låta kristallerna bildas på behållarens inre ytor orsakar inneboende ofullkomligheter i kristallernas form, eftersom det alltid kommer att finnas en punkt på kristallen där den tidigare fästes vid den ytan. Man kan undvika denna ofullkomlighet genom att använda ett litet frö av vismutkristall som är upphängd i den smälta vismut och som fungerar som en kärnbildningspunkt under kristalltillväxten. Efteråt kan man sedan bara lyfta upp kristallen ur den flytande vismuten i stället för att behöva hälla ut överflödig vismut i en separat behållare (som i steg 4). Se till att inte låta frökristallen vara svävande för länge, eftersom bismut kan stelna runt den och göra det omöjligt att ta ut den. Dessutom kan kristallen växa sig så stor att den kan smälta samman med andra kristaller som omger den och därmed också fånga in den.

Likt vatten/is har vismut den intressanta egenskapen att den expanderar när den stelnar, vilket gör att oanslutna, fasta vismutkristaller svävar i sin tätare, flytande omgivning.

Bilder på stora vismutkristaller

Nedan följer en serie bilder på tre stora vismutkristaller som varierar i storlek från ca 1 tum till 3 tum i bredd. Det är säkert möjligt att odla mycket större kristaller än dessa.