Zaglądając do wnętrza szafiru

Dla jednych bezcenny materiał na biżuterię i źródło estetycznych zachwytów, dla innych świetny materiał na wytrzymałe elementy maszyn, dla jeszcze innych okazja do zbadania i poszerzenia swojej wiedzy. Szafir. Jeden z najcenniejszych i najpiękniejszych kamieni szlachetnych. Dla astrologa szafir będzie kamieniem magicznym, dla chemika po prostu trójtlenkiem glinu (Al₂O₃), ale cenią go wszyscy.

Szafir słynie ze swojej twardości i odporności na zarysowania. Może być używany zamiast diamentu, w elektronice i mechanice ceni się też jego właściwości elektryczne i cieplne. Potrafimy go wytwarzać sztucznie, ale to nie znaczy, że wiemy o nim wszystko. Badania nad strukturą kryształów i zmianami, jakie zachodzą w ich właściwościach pod wpływem niewielkich zmian lub domieszek skutkują coraz lepszym zrozumieniem zasad rządzących materią i rozwojem nwych technologii materiałowych. A właśnie amerykańsko-niemieckiej ekipie naukowców udało się przyjrzeć strukturze szafiru tak blisko, jak jeszcze nikomu.

W tym celu naukowcy z Case Western Reserve University - Arthur Heuer i Peter Lagerlöf - udali się do niemieckiego Institute of Solid State Research w Julich gdzie oczekiwał na nich Chunlin Jia. Swojego wsparcia teoretycznego udzielał ponadto Jacques Castaing z francuskiego Laboratorie Physique des Materiaux. Badania przeprowadzano w Ernst Ruska-Centre for Electron Microscopy, gdzie znajduje się elektronowy mikroskop transmisyjny, który wymaga trudnego przygotowania próbki w postaci bardzo cienkiej płytki, ale w zamian zapewnia bardzo duże powiększenia. Badania przeprowadzono na syntetycznym szafirze, jaki stosuje się w konstrukcji specjalistycznych układów elektronicznych. Zobaczenie na własne oczy drobnych zaburzeń w strukturze kryształu wymagało ponadto wykorzystania efektu negatywnej aberracji sferycznej do uzyskania obrazu. Była to pierwsza udana próba zastosowania tej techniki do uzyskania obrazów defektów w materiałach ceramicznych z rozdzielczością poniżej jednego angstrema (1 Å = 0,1 nanometra).

Oczom uczonych ukazały się wyraźnie pojedyncze atomy glinu i tlenu, tworzące krystaliczne struktury sześciokrotnych wielościanów glinu. Wśród nich można było zobaczyć rdzenie dyslokacji, powodujące zmiany kształtu wielościanów na czterokrotne. Każdy taki rdzeń zakończony był atomem glinu. To właśnie one wpływają na właściwości szafiru: zachowuje on właściwości elektrycznego izolatora, kiedy rdzenie dyslokacji otaczają najwyżej połowę położeń atomów glinu.

Zrozumienie niuansów budowy szafiru (oraz innych kryształów) pozwoli w przyszłości na kontrolowanie ich czystości, a więc właściwości mechanicznych, cieplnych, elektrycznych czy magnetycznych. Na to zaś niecierpliwie czeka na przykład przemysł półprzewodników, czy laserów, gdzie szafiry są powszechnie stosowane. Chociaż panie zawsze zapewne będą wolały te naturalne, nawet jeśli nie będą idealne.

Studium na ten temat opublikowano w periodyku Science z 26 listopada 2010.

szafir trójtlenek glinu struktura kryształu elektronowy mikroskop transmisyjny Arthur Heuer Peter Lagerlöf Chunlin Jia Case Western Reserve University Institute of Solid State Research