Капля

Капля, движущаяся в кристалле

Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.

Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл — пусть для оп­ределенности это будет кристалл какой-нибудь соли — должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, темпе­ратура раствора понизилась - и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным ма­териалом для кристалла. Вначале появится микроскопи­ческий кристаллик — зародыш, а затем он будет подрас­тать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кри­сталл случайно захватит в свой объем капельку мате­ринского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объе­ме кристалла некогда была на его поверхности.

Все может произойти и по иному механизму. Допу­стим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда бу­дут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики сле­дует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существова­ние в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристал­ла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.

Итак, в объеме кристалла имеется капелька насыщен­ного раствора его вещества. Вначале — о форме этой капельки. Если капля «маленькая» (в том смысле, который обсуждался в очерке об опыте Плато), ее форма будет такой, при которой энергия на границе капелька — крис­талл окажется минимальной. В опыте Плато капля жид­кости граничит с жидкостью, аморфное вещество с аморф­ным веществом. Это значит, что поверхностная энергия границы во всех направлениях одинакова, и поэтому наи­меньшей энергия всей границы будет тогда, когда наименьшей будет ее поверхность. Для этого капля дол­жна принять сферическую форму. Если же жидкая капля расположена в кристалле, аморфное тело граничит с крис­таллом, энергия границы жидкость — кристалл, как и поверхностная энергия границы кристалл — воздух, будет зависеть от направления. В этом случае наименьшей пол­ная энергия границы будет у капли несферической формы. Капля приобретает равновесную огранку, такую, какую продиктует ей равновесная огранка кристалла; например, капля в объеме кристалла каменной соли будет кубиче­ской, в других кристаллах она будет иметь более сложную форму — восьмигранника, пирамид, которые сложены ос­нованиями, и т. д.

«Немаленькая» капля деформируется силой тяжести. Это во всяком случае происходит с каплей, которая свободно лежит на твердой поверхности. И нет основания для того, чтобы капля в кристалле не испытывала на себе действия этой силы. Складывается непростая ситуация: капля стремится расплющиться, так как при этом понизится ее центр тяжести и уменьшится ее потенциальная энергия, а кристалл — сохранить полость, содержащую каплю, та­кой, при которой энергия ее поверхности будет наимень­шей. Любое изменение формы равновесной полости приве­дет только к увеличению ее поверхности, а значит и по­верхностной энергии. В этой противоречивой ситуации капля и кристалл находят оптимальное решение.

Естественно может возникнуть недоумение: неужели капля способна вынудить кристалл изменить свою фор­му? Усилиям наших пальцев массивный кристалл соли не поддается, как же он подчиняется воле капли? Дело в том, что капля может сделать то, чего не могут сделать наши пальцы; она растворит в себе немного соли с боковых поверхности полости и поможет этой соли переместиться на верхнюю поверхность. Таким образом, верхняя по­верхность приблизится к нижней, и центр тяжести пони­зится, а с ним понизится и потенциальная энергия капли.

В ископаемых минералах, в частности в естественных кристаллах солей, тысячелетия подвергавшихся действию силы тяжести, можно найти множество жидких приплюс­нутых включений. Выть может, именно сила тяжести их и расплющила?

Я вспоминаю великолепный кинофильм, который был снят Г. Г. Леммлейном в первые послевоенные годы. Главными героями этого фильма были кристаллы натрие­вой селитры с жидкими включениями — каплями раствора натриевой селитры в воде. Особенно запомнились два эпизода, которые впоследствии Леммлейн описал в одной из своих статей.

Сценарий первого эпизода был следующим. Поверх­ность кристалла натриевой селитры с жидким включени­ем — каплей — ярко освещалась мощной лампой. Неболь­шой участок поверхности, вблизи которого было включе­ние,— зачернен. Оказывается, капля начинает медленно двигаться по направлению к черному пятнышку. Съемка велась в замедленном темпе, чтобы при демонстрации лен­ты с обычной скоростью движение капли можно было отчетливо наблюдать.

Жидкая капля самопроизвольно движется в твердом кристалле по направлению к лампе! Возникают вопросы: к излучаемому ею свету? или к теплу? почему движется? как движется?

Движется капля не к свету, а к теплу. В этом легко убе­диться с помощью простого контрольного опыта, напри­мер такого: поднести к кристаллу несветящийся источник тепла.

Ответы на вопросы «почему» и «как» можно совместить. Дело в том, что растворимость натриевой селитры в воде очень сильно зависит от температуры и даже при малом ее повышении заметно возрастает. Если к капле направлен поток тепла — от лампы или любого другого источника,— на лобовой ее поверхности температура будет немного выше, чем на тыльной. Это означает, что на лобовой, бо­лее горячей, поверхности нат­риевая селитра будет раство­ряться, а на тыльной, более холодной, возникший в капле избыток соли будет осаждать­ся. А это и означает, что капля будет двигаться по направле­нию к теплу. Скорость дви­жения в опытах Леммлейпа была небольшой — прибли­зительно 10^-7 см/сек, но важ­на не величина скорости, а принципиальная возмож­ность на первый взгляд курь­езного явления: жидкая кап­ля движется в кристалле! Как следует из рассказанного, ре­ально движется не капля, а атомы вещества кристалла, растворившиеся в ее объеме, но результат такого движения атомов мы воспринимаем как движение капли в кристалле.

Маленькое жидкое включение в мо­нокристалле натриевой селитры дви­жется по направлению к крупному включению и поглощается им

Второй эпизод в фильме был еще интереснее. В нем тоже была заснята малень­кая движущаяся капелька в кристалле, однако лампа в этом никакого участия не принимала. Опыт был заду­ман хитро. В непосредствен­ной близости от маленькой капли, движение которой на­до было наблюдать, находи­лась крупная капля непра­вильной формы. В процессе преобразования ее формы в более правильную уменьшалась поверхность, и значит выделялась некоторая энергия, которая ранее была связа­на с поверхностью, а затем превратилась в тепло. Вот эта уменьшающая свою поверхность капля играла роль источ­ника тепла, по направлению к которому двигалась ма­ленькая капля. В заснятом эпизоде маленькая капля движется к большой и сливается с ней.

Успех опытов Леммлейна был предопределен удачным выбором объекта или, точнее, тем, что растворимость нат­риевой селитры в воде очень существенно меняется с из­менением температуры. И поэтому даже незначительная разность температур между лобовой и тыльной стенками оказывается достаточной, чтобы движение капли можно было заметить за «удобное» время, а не за тысячи лет, на­пример.

Леммлейн был пионером, а после него появилось мно­жество исследований, посвященных движению жидких капель в кристаллах.

Быть может, любопытное явление — движение ка­пель в кристалле — и не привлекло бы к себе внимания, если бы оно было подобно соловьиным трелям, которые, как известно, до сих пор в инженерной практике не при­менялись. Но оказалось, что движение капель можно ис­пользовать для решения многих практически важных за­дач. Назовем для примера две из них.

Получение пресной воды из морской. В процессе замер­зания морской воды образуются капли с повышенным со­держанием соли. Если их изгнать из льда, оставшийся лед, свободный от капель, будет содержать соль в количестве меньшем, чем морская вода, т. е. окажется частично опресненным.

Упрочнение льда. В условиях Крайнего Севера лед — строительный материал, и важно, чтобы он был прочным. Его прочность, однако, понижается из-за содержащихся в нем жидких капель. Надо освободиться от них, и тогда лед станет более прочным. Сделать в принципе это мож­но, заставив капли двигаться до тех пор, пока они не выйдут из льда.

Процесс частичного освобождения льда от капель проис­ходит и самопроизвольно. Глубинные слои льда ближе к воде более теплые, чем те, которые граничат с холодным воздухом, и, следовательно, капли соленой воды будут двигаться по направлению к воде. Вот почему глубин­ные слои льда оказываются и менее солеными и более прочными.

Капля в кристалле явно достойна внимания естество­испытателей.