_

Пиролюзит MnO2 чаще всего встречается в виде скрытокристаллических агрегатов (то есть таких, в которых кристаллы неразличимы глазом), напоминающих почки, сажу или землю — такие формы выделений так и называются: почковидные, сажистые или землистые. Этот черный минерал с металлическим блеском образует осадочные месторождения марганца и имеет промышленное значение. В месторождениях он встречается вместе с другими марганцевыми и железистыми оксидами и гидроксидами — гаусманитом, манганитом, браунитом, псиломеланом, лимонитом.

В виде дендритов пиролюзит встречается нечасто: для их образования нужны специфические условия. Дендритные формы кристаллов являются разновидностью скелетных кристаллов (см. картинку дня Скелетная шпинель), которые расщепились в процессе роста на отдельные ветви. Расщепление происходит, как правило, в стесненных условиях и/или при неравномерном процессе кристаллизации — например, при резком падении температуры раствора или когда питающий раствор негомогенный. Рост кристалла начинается с зародыша — центра кристаллизации. Если параметры раствора (температура, давление, концентрация соединений) со временем не меняются или меняются слабо, то будет образовываться кристалл правильной формы. Однако если один или несколько параметров меняются быстро, образование зародышей тоже будет происходить быстрее, и они будут слипаться между собой. Поступление вещества (диффузия) к растущим зародышам становится еще более неравномерным, и, как следствие, образуются характерные ветвящиеся формы. Направление роста «веточек» происходит в сторону наиболее интенсивного массопереноса — то есть по направлению поступления питающего раствора. Сам процесс образования дендрита принято называть дендритовым ростом.

Дендриты бывают двухмерными и трехмерными. Двухмерные дендриты вырастают на поверхности тонких трещин горных пород. Трехмерные дендриты растут в открытых пустотах горных пород. Так, рост кристаллов пиролюзита с главного фото происходил в трещине известняка, по которой проходил раствор, обогащенный марганцем.

Дендриты образуются не только в природе, но и в литейном производстве. Размер дендритных кристаллов является важным фактором, определяющим свойства литых сплавов. Например, если расплав охлаждать медленно, то и новые дендриты будут образовываться медленно, и в итоге они будут крупнее. И наоборот, если охлаждение будет быстрым, количество дендритов будет больше, а их итоговый размер меньше. Чем мельче дендриты, тем лучше механические и технологические свойства у готовой продукции, но полностью избавиться от дендритов сложно.

Первым обратил внимание на дендриты в сталях российский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Он всесторонне исследовал систему железо–углерод и заложил основы металлографии. В честь него был назван один из самых крупных металлических дендритов, обнаруженных при выплавке металла, — кристалл Чернова: его высота 39 см, а масса — 3,45 кг.

Ввиду того, что дендриты напрямую влияют на свойства получаемых сплавов, изучение дендритного роста важно для промышленности. В 1990-х годах НАСА провел эксперимент по изучению роста дендритов в невесомости. В земных условиях, из-за наличия гравитации, в растворе или расплаве возникают участки с неравномерной концентрацией элементов и, как следствие, с неравномерной диффузией вещества к растущим граням. То есть дендриты растут в неоднородной среде. Чтобы избежать влияния гравитации, сотрудники НАСА спроектировали прибор с дистанционным управлением, позволяющий контролировать ход эксперимента с Земли (при этом сам аппарат находился на орбите). В качестве модельных веществ в первых двух экспериментах выступал динитрил янтарной кислоты, в третьем — пивалиновая кислота (см. Pivalic acid). Динитрил янтарной кислоты использовался в качестве аналога черных металлов (железа и сплавов на его основе, марганца, хрома, ванадия), пивалиновая кислота — аналога цветных металлов (меди, свинца, олова, алюминия, титана и других). Благодаря эксперименту была получена информация о формах вершин дендритных кристаллов и влиянии условий охлаждения на их рост, что важно для теории роста кристаллов.

Однако с дендритным ростом исследователи столкнулись гораздо раньше. Соединения, способные кристаллизоваться в виде «деревьев», были известны еще средневековым алхимикам. Наиболее известны Дерево Дианы (см. Diana's Tree) и Дерево Сатурна. В первоначальных рецептах слабую азотную кислоту смешивали с ртутью, серебром (Дерево Дианы) или свинцом (Дерево Сатурна; Сатурн — алхимическое название свинца). В получившемся растворе происходила кристаллизация амальгамы в форме дерева. Такие «деревья» настолько впечатляли средневековых алхимиков, что они верили в существование «живых» кристаллов.

Опыты с деревьями не потеряли своей актуальности до сих пор. Проводились, например, эксперименты с медью и водным раствором нитрата серебра: растворы смешивали и фиксировали процесс роста в них дендритов. Такая постановка эксперимента во многом напоминает опыты, которые ставили средневековые алхимики.

Но, наверное, самая распространенная форма дендритов — это кристаллы льда на оконных стеклах. Появление дендритов льда напрямую зависит от условий охлаждения. В интервале температур от 0 до минус 6°C на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда, и дендриты не образуются. Но если охлаждение поверхности стекла начинается при положительной температуре и высокой относительной влажности, то на его поверхности вначале отлагается пленка воды, которая уже при понижении температуры кристаллизуется в виде дендритов.

В качестве центров кристаллизации выступают дефекты поверхности стекла — микроскопические царапины, сколы, трещины. При этом форма дендритов в верхней и в нижней части стекла отличается: внизу, где под действием силы тяжести скапливается больше воды, дендриты, как правило, больше. В верхней части стекла, где пленка воды меньше, дендриты, соответственно, тоньше.

Источник: elementy.ru

Комментарии: