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DIY 了个简单装置帮助提高晶体生长效率
古法造轮2022/10/13原创 晶体养成所 IP:福建

题图-1.jpg


题图-2.mp4 点击下载

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DIY 了个小装置来帮助提高蒸发法培养晶体效率,适合有一点长晶体经验又喜欢折腾的同学可以来一个。装置本身很简单,结构和制作没什么好写的,大家看一下题图大概就明白了。帖子主要内容是讲一下为什么要这么设计,所以文字内容比较多,读起来可能需要点耐心。。。


##### 一点点背景介绍

水溶液蒸发法晶体生长过程大概是这样的:水分子从溶液表面挥发到空气中去 —> 靠近液面的饱和溶液浓度升高变为过饱和状态 —> 溶质从浓度高的液面处扩散到浓度低的溶液内部及晶种表面附近 —> 溶质沉积到晶体表面上完成生长过程。水不断蒸发,此过程持续进行,最终长成大颗晶体。

蒸发示意图.jpg

自然蒸发法虽然简单方便,但实际过程中会有几个比较明显的缺点:

  1. 溶液表面的过饱和溶液只能通过浓差扩散和微弱的对流扩散到内部去,速度慢效率低,导致晶种的生长速度很慢,长个大点的晶体时长通常以月计。

  2. 溶液表面的过饱和状态不稳定容易在表面处直接成核结晶。发生在表面的结晶又会带来几个不太好的后继发展:

    • 过饱和溶液里的溶质直接结晶于表面之后往溶液内部扩散转移的溶质会减少,晶种表面得不到及时的新溶质补充从而生长速度缓慢。

    • 在表面产生的小晶粒长大点之后会沉到溶液里去形成新的晶种,新晶种跟原本的晶种“争夺”溶质粒子,使得原本的晶种生长速度持续变慢甚至停止生长。

    • 表面产生的小晶粒还经常会落到已经长好的晶体表面上去,破坏晶体原本平整的表面产生小突起进而长成多晶。

  3. 还有个不大不小的毛病,静置生长这种方式晶种侧面的对流比其他的面要强,导致晶种侧面的生长速度比上面要快,容易长成形状偏平的晶体。(参考这个帖子里提到过的明矾晶体形状。躺下的明矾八面体晶种由于侧面长得比上下面速度快,晶体沿着六个侧面往外生长,最终长成一种偏平的不对称缺角八面体。)

一般情况下,要缓解这几个问题都是通过减慢溶液的蒸发速度和保持溶液尽量静止来让液面处的过饱和溶液有足够的时间扩散到溶液内部去以及减少新晶核的产生来保证晶种的生长。


这套小装置主要目的是想用另外的方式来缓解这些问题。思路大概是这样的:

  • 浓差和自然对流扩散速度太慢,那就通过搅拌溶液让表面过饱和的溶液能够快速地扩散到晶种表面附近去,及时补充晶种表面附近因为沉积到晶体上而消耗掉的溶质。搅拌迅速地让溶液均匀化,因此不必再考虑溶液蒸发速度的快慢问题,可以直接把溶液敞开来使之蒸发速度加快从而提高晶体生长速度。

  • 通过搅拌形成的涡流让新产生的小晶核/晶粒不会落到晶种表面上去。

  • 搅拌强制对流,尽量让晶体各个表面都有相近/可控的对流强度,可以进行一些可控生长操作。



##### 简单制作示意及实验结果

装置本身很简单,看一下设计图和视频大概就明白怎么回事了。

题图-1.jpg

需要稍微解释一点的地方是图里那个黑色的分隔板。隔板除了用来放置晶种外更重要的作用是用来將产生的新晶核/晶粒阻隔在板子下面,防止他们在溶液里上下来回飘荡影响晶种的生长。

整个过程的简化的模型跟“茶叶悖论”的模型类似,可以这样理解:置于溶器正中的搅拌棒搅起来之后,在溶液中除了有沿水平方向搅拌涡流之外,在竖直方向还会有一个从溶液中间上升沿器壁下沉的涡流。小晶粒被搅起来由于离心作用被甩到溶液边缘之后,晶粒沿着隔板和器壁之间的缝隙穿过进入到隔板下面去之后,会被隔板下面的小涡流带到靠近中间的柱子附近去。隔板把涡流运动限制在隔板之下,同时也把小颗粒给阻挡在在下面不影响上面的晶种生长。还要稍微注意下隔板与容器壁之间的缝隙大小要合适,缝隙太小的话小晶粒难以进入隔板以下,缝隙太大的话对下面的涡流限制作用不大,小晶粒容易被强烈旋转的水流带回隔板之上,两种情况都对有效分离小晶粒不利。大家对“茶叶悖论”有了解的应该很容易理解这个简化模型。

涡流图.jpg

视频可以大概看出分离效果:溶液里没有可见小碎晶飘荡,基本都能被集中到底部去。隔板上晶体的生长完全没有被小碎晶体影响,各个面都很光滑平整,没有破缺或突起。


生长速度.mp4 点击下载

重点看下生长速度。因为当时没想到第一个实验出来效果会这么好,所以一开始图方便随便找了颗长坏了的晶体来做晶种,根本没量尺寸。原晶种底部尺寸估计约有 8.8mm(这颗坏的晶体前后长了 30 天左右),装置上长了 48 小时,长到 13.9mm 大小,换算成 (111) 晶面的生长速度大概有 0.075mm/h,跟原来晶种的生长速度相比,提高了大概 10 倍。(注:晶体生长速度跟很多很多因素有关系,如果你的实验结果跟我的不相符是正常的。)

生长速度图.jpg



##### 关于装置的几个简单说明供参考/讨论/改进

对这个感兴趣的话下面这部分可以仔细阅读一下,比较重要。

  1. 并非所有的化合物都能用这种方法长出优质的晶体来,即使是普通的蒸发法能长出好晶体的化合物,也可能用这个方法长不出好晶体来。$KAl(SO_4)_2\cdot 12H_2O$ 是一种相对好培养的晶体,“容错性”比较好,表面有点什么缺陷的也能自己再长好长成完整的晶体。如果你不确定自己的装置是不是有什么大的问题的话,可以买一瓶(只需 ¥3.5)回来长几颗做测试。

  2. 利用隔板来分离产生的小晶粒不是必须的,我们的目的是不让小晶核/晶粒影响晶种的生长,所以只要是能够有效防止小晶核/晶粒飘到溶液里去的措施都可以用。比如弄个网袋在溶液里,就像洗衣机收集纤维屑那样收集产生的小晶粒。或者设计个高级的,把晶粒导到另一个温度高点的地方去再导回来持续供应晶种的生长。

  3. 用风扇来改装做搅拌器只是因为手上正好有个坏掉的风扇,原本是接 12V 电用的,接上 5V 的电,转速恰好能用。大家不一定按我的改装来做,捡自己手上有的东西来做吧,有条件的花几块钱买个 PWM 控制板,或者用 Arduino 自己接一下,写个小程序来控制搅拌棒的速度以及方向等,提高晶体生长质量。从调节搅拌速度开始试吧,搅拌速度以及隔板的设置参数对能否有效分离小晶粒影响比较大。有条件的可以调一调溶液温度,我总觉得我的这个明矾内部有裂隙可能就是室温不够高所以才长得不好的,温度高点离子在晶体表面的弛豫时间缩短些说不定能长得好一些。

  4. 用这么大颗晶体做晶种是因为当时已经把隔板先粘到杯子底部去了,小颗的晶体不太好粘到隔板上去(晶种就简单暴力地用热熔胶来固定),然后拿了颗之前没长好的晶体来做晶种了。晶种一定要固定好,否则溶液一搅起来可能会飞掉,就用普通双面胶或者热熔胶粘即可。

  5. 整套装置就是我随想随做搭出来的,题图的图纸是实验做完后才用卡尺量的。做的时候装置的尺寸参数啥的就是看着裁的,没经过任何计算或优化。只是没想到第一版效果居然这么好(也可能主要是明矾太好长)。我看这效果用来演示应该绰绰有余了,就暂时没改进先发上来了。

  6. 虽然由于搅拌的作用能使溶液迅速均匀化,但还是要注意蒸发速度与晶体生长速度要相匹配,不然还是容易长出不完美的晶体。最理想的状态当然是溶剂因挥发而析出的溶质全部沉积到晶种上去,但是实际过程控制不到这种平衡。挥发速度慢了的话生长速度慢背离设计初衷,挥发速度快了容易产生小晶核/晶粒。还有像这个帖子里长的这颗晶体,生长速度应该是过快了,坏晶种原有的缺陷造成应力没能消除,晶体里的小裂隙也一直随晶体往外长。可以通过调整搅拌效果、溶液温度、液面上方空气温度风速等参数来控制整体生长速度。

  7. 旋转的溶液使得液流与晶体不同面的接触具有方向性,不同面的传质情况差别很大,使得不同面的生长速度差别也很大。大家改进装置时有条件的话可以把这个考虑进去,搅拌方向和速度及方式(比如搅拌头的形状)对晶体的生长都会有显著影响。帖子里这个只是示意一下方法,但也明显看到原本应该是正方形的(100)面长成了一个狭长的棱形。

  8. 最后还有个小 tips,一般我都建议不在 DIY 项目中使用热熔胶,不过这次刚好相反,建议大家就用热熔胶。化学胶水容易在溶液中引入杂质,反倒是经常被我吐槽的热熔胶不会在这方面带来麻烦。还有搅拌捧啥的,反正只要是跟溶液直接接触的都要注意会不会有杂质。帖子里用的那个搅拌捧是用镀镍铁质大头钉焊的,48 小时下来其中一根钉已经被酸性的明矾溶液腐蚀断掉了。

本来以为是个图片视频帖的,写着写着变成长文帖了。。。


太长不看版:肥肠好的一套装置,能非常有效地提高晶体生长速度。帖子只需看一下题图照片和视频即可,制作起来便宜又大碗,造吧!


ps: 为嘛帖子里列表的字体怎么改都会跟其余部分不一样。。。还是我的浏览器渲染有问题?你们看到的帖子所有内容的字体是一致的吗? 还有我从别的地方复制过来的,各个部分的文字大小是总是不一样,在别的渲染器里大小都是一样的,是不是我浏览器真有问题(Google Chrome Version 103.0.5060.53 (Official Build) (64-bit))。。。


+0.5  科创币    zRed洲虹    2022/10/13 资瓷
+1  科创币    ComiChemistree    2022/10/22 建议补充一下相应零件(具体到全名,型号,规格)
+1  科创币    柒和    2022/12/13 肥肠好!
+1  科创币    humming    2022/12/31 支持!
来自:晶体培育 / 晶体养成所严肃内容:教程/课程
10
 
25
AtomictekOWO
3个月25天前 IP:四川
1楼

attachment icon Growth_and_Characterization_of_a_Unidirectional_00.pdf 645.19KB PDF 50次下载 预览

让我在这扔个资料,楼主可以参考一下

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古法造轮作者
3个月25天前 修改于 3个月25天前 IP:福建
2楼
引用AtomictekOWO发表于1楼的内容
让我在这扔个资料,楼主可以参考一下

感谢,

这篇文章跟我上个帖子关系比较大,https://www.kechuang.org/t/88162

这个帖子主要还是跟晶体生长方法/技术相关,内容估计在教科书上就能找到,还用不上论文

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zRed洲虹
3个月25天前 IP:上海
3楼

妙啊,提供了很好的思路

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200361095
3个月25天前 IP:北京
4楼

之前收集的 温度的影响 仅供参考

IMG_3884.png

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德球_Wyuyang
3个月24天前 IP:天津
5楼

字体不完全一样,大小差不多

ps:大佬怎么用三个月的时间升到四级的?😂

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虎哥
3个月24天前 IP:四川
6楼

大佬的帖子看着过瘾,特别是看到最后的感言部分才知道是什么晶体,实在是妙。

楼上:因为发表的质量高。

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古法造轮作者
3个月24天前 IP:福建
7楼
引用德球_Wyuyang发表于5楼的内容
字体不完全一样,大小差不多ps:大佬怎么用三个月的时间升到四级的?😂

这个要感谢虎哥 哈哈哈哈

多看书(认真脸,

我发的这些内容大部分在书上都能找到。其实论坛上有不少网友在他们的帖子或评论交流里都有提及过,只是比较零散,他们没有整理写成帖子发出来,被我抢先了嘿嘿


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吴不慎
1个月14天前 IP:江苏
8楼

敞口有气流的话,不会有灰尘落进去吗

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一杯石蕊茶
1个月5天前 IP:中国
9楼
引用吴不慎发表于8楼的内容
敞口有气流的话,不会有灰尘落进去吗

同问+1

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古法造轮作者
1个月5天前 IP:福建
10楼
引用吴不慎发表于8楼的内容
敞口有气流的话,不会有灰尘落进去吗

会啊,

该怎么防尘就怎么防尘,这个应该不需要特地进行说明。

最简单的方法就是弄个罩子罩起来,留通气孔,对空气进行过滤什么的。


因为不是个 step by step 的 DIY 教程,只是提供个思路,很多影响因素并未考虑进去(也没太大必要考虑进去)。其中影响最大的是室温变化对晶体生长的影响,特别秋冬季昼夜温差带来的影响。温差之大,足以使得长好的晶体溶解又结晶,结晶又溶解,一天的变化就能用肉眼观察得到明显的生长痕迹。

对于晶体生长来说,保持系统温度稳定或者是保持温度变化稳定比其他的什么都更重要。只可惜 DIY 一个恒温 0.1 度系统的成本还是相当高的,以后再来折腾吧。

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2022/06/30注册,17分51秒前活动

脸圆圆的,喜欢吃屎。擅长进行理论 diy,能 bb 的绝不动手。特点是特别怕死,特别不要脸,跟我交流时千万不要假设我是个讲文明懂礼貌有素质有涵养有道德感的人,这些我统统都没有!

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