Лаборант-кристаллооптик. М. А. Пивоваров

Древнегреческое слово "кристаллос", обозначавшее одновременно и лед, и горный хрусталь, считавшийся тогда окаменевшим льдом, почти без изменений вошло во многие современные языки. Но смысл этого слова неизмеримо расширился. В наши дни кристаллами называют все твердые тела, имеющие форму многогранников, то есть ограниченные плоскими гранями и прямыми ребрами. Правильная геометрическая форма кристаллов обусловлена регулярным расположением составляющих их частиц (атомов, ионов или молекул). Для того чтобы осознать эту взаимосвязь в полной мере, человечеству понадобилось две тысячи лет.

Первое письменное упоминание о том, что у кристаллов плоские грани и прямые ребра, имеется у древнеримского автора Плиния Старшего, а современная классификация возможных типов расположения атомов в кристаллах была создана русским ученым Евграфом Степановичем Федоровым в конце XIX века. Любой кристалл имеет периодическую внутреннюю структуру, то есть состоит из бесчисленного множества одинаковых ячеек, каждая из которых содержит несколько атомов и имеет форму многогранника. Всего, как установил Е. С. Федоров, существует 230 возможных типов этих элементарных ячеек.

Как форма кристалла, так и его физические свойства зависят от типа элементарной ячейки. Трудно придумать менее похожие вещества, чем графит и алмаз, а между тем они имеют одинаковый химический состав и отличаются друг от друга только формой образующих их элементарных ячеек.

Однако, как правило, различие между кристаллами одного и того же химического состава не столь разительно, поэтому отличить их друг от друга довольно сложно. Между тем такая задача возникает в самых разных отраслях промышленности. Так, например, технология переработки руд металлов определяется видом сырья, а каждый вид сырья имеет свою кристаллическую структуру. Другим примером могут служить кристаллические полупроводниковые материалы, без которых не обходится ни один современный полупроводниковый прибор. Производство таких материалов, имеющих особые, зачастую уникальные свойства, также требует контроля их внутренней структуры, отсутствия постоянных включений и нарушений регулярности расположения атомов.

Наиболее простым способом определения расположения атомов в кристалле является изучение его оптических свойств. Дело в том, что луч света, проходя через кристалл, изменяет свое направление при взаимодействии с периодически расположенными атомами. Измеряя углы поворота луча, можно найти расстояние между атомами в направлении его распространения. Причем, поскольку расстояния между атомами по всем направлениям различны, то измерять углы поворота надо при разных расположениях кристалла относительно луча. Если для подобного исследования применяются волны рентгеновского диапазона, то такой метод анализа называется рентгеноструктурным. Изучение преломления в кристалле волн видимого диапазона составляет предмет кристаллооптики. Основное различие между этими методами состоит в том, что картину преломления волн видимого диапазона можно непосредственно наблюдать в микроскоп, в то время как излучение рентгеновского диапазона регистрируется на рентгеновскую фотопленку или с помощью рентгеночувствительных датчиков.

Определяет оптические свойства кристалла лаборант-кристаллооптик. Начинает он с приготовления препарата изучаемого кристаллического вещества. Проще всего они делаются из порошка. Для этого лаборант размельчает исследуемый материал в специальной ступке, помещает его равномерным слоем на предметное стекло, в качестве которого используется круглая стеклянная пластинка диаметром 18 миллиметров и толщиной около 1 миллиметра, покрывает его одной-двумя каплями специального клея, называемого канадским бальзамом, а затем осторожно просушивает его при небольшой температуре. Рассматривая такой препарат под микроскопом, можно получить информацию о строении микрокристаллов данного вещества.

Однако для изучения сложных горных пород, состоящих из нескольких минералов, лаборант приготавливает тонкую полированную пластинку данного минерала, называемую шлифом. Приготовление шлифа начинается с того, что от исследуемого минерала отбивается или отрезается плоская пластинка, размеры которой в полтора-два раза превышают размеры препарата. Затем одну из сторон этой пластинки лаборант шлифует с помощью абразивных паст и порошков вначале на металлическом круге, а затем, применяя полировочную пасту, на полированном зеркальном стекле. Когда шлифуемая поверхность становится матовой и совершенно однородной, ее промывают и приклеивают к покровному стеклу канадским бальзамом. Затем лаборант шлифует противоположную сторону до тех пор, пока препарат не становится прозрачным. Готовый препарат накрывается тонким покровным стеклом, которое также приклеивается канадским бальзамом.

Приготовление шлифа - трудоемкая ручная работа, требующая от лаборанта терпения, аккуратности и специальных навыков. Лаборант должен не только чувствовать материал, но и понимать его красоту. Без бережного отношения к материалу никогда не получится хороший шлиф: ведь толщина готового препарата составляет несколько десятых, а иногда сотых долей миллиметра. Поэтому заключительная стадия шлифовки - это ювелирная работа, которая не терпит спешки и равнодушия.

Но вот препарат готов. Его надо изучать под микроскопом. Здесь основные инструменты - так называемый поляризационный микроскоп с увеличением примерно в сто раз и приспособление, предназначенное для поворотов препарата, названное по имени его изобретателя федоровским столиком. Лаборант закрепляет препарат на федоровском столике, а затем с помощью специальных винтов центрует этот столик относительно предметного столика микроскопа.

Перед глазами у лаборанта под микроскопом - сложная картина, в которой нельзя упустить ни одной подробности. Различные кристаллические зерна могут выглядеть как приподнятые или опущенные, их границы бывают размытыми или, наоборот, контрастными. Поверхность шлифа может быть гладкой или покрытой системой мельчайших трещинок. Вращая препарат на столике, можно наблюдать изменение его окраски, освещение и погашение зерен при разных углах поворота. Для того чтобы разобраться в наблюдаемой картине, лаборант должен обладать острым зрением, хорошей зрительной памятью, эрудицией и сообразительностью. Среди препаратов не бывает одинаковых, и ни одна мелочь не должна пройти мимо внимания лаборанта.

Как правило, фотографирование при кристаллооптических исследованиях не проводится, и лаборант-кристаллооптик должен тщательно изложить в заключении все наблюдавшиеся им особенности прохождения света через препарат. Поэтому лаборант-кристаллооптик должен владеть теоретическими основами кристаллооптики и физической химии, обязан знать структуру наиболее распространенных кристаллов и вытекающие из нее особенности их оптики.

Профессия лаборанта-кристаллооптика не претерпела за последние десятилетия сколь-нибудь существенных изменений. Основными ее чертами являются заметная доля кропотливого ручного труда при приготовлении шлифов, необходимость глубокого понимания наблюдаемых явлений, бережное отношение к каждому изучаемому образцу, который всегда может оказаться неповторимым и уникальным.

Эта профессия подойдет людям сосредоточенным, собранным, обладающим хорошим зрением. Народному хозяйству требуется небольшое количество лаборантов-кристаллооптиков, но к их квалификации и эрудиции предъявляются повышенные требования.

Работают лаборанты-кристаллооптики, как правило, в двух помещениях, в одном из которых приготавливаются шлифы, а в другом препараты изучаются под микроскопом.

Подготовка лаборантов-кристаллооптиков ведется непосредственно на предприятиях. Повысить свою квалификацию можно на физических и геологических факультетах университетов, в технических вузах, имеющих горные специальности.