Капля

Представим себе на камне каплю росы, в которой долж­на начаться кристаллизация. Рассуждая схематически, разумно указать три места, где может появиться зародыш кристаллизации: на границе капля — камень, в объе­ме капли и на границе капля — воздух. Казалось бы, ес­тественнее всего появиться зародышу на границе капля — камень. Ведь именно вблизи этой границы капля нее,чем у «макушки», так как тепло из капли в объем камня отходит активнее, чем в воздух. Оказывается, од­нако, что на границе капля — камень кристаллизация начинается не всегда. Даже, точнее, так: редко, лишь в тех случаях, когда охлаждение происходит очень быстро. Причину этого выясним позже, а сейчас — о двух других возможностях появления зародыша. Легко понять, что эти возможности практически равнозначны, так как если зародыш и возникает в объеме капли, то он мгновенно всплывает к ее макушке, т. е. к границе капля — воздух. Такой зародыш разрастается, и при этом граница лед — вода будет двигаться по на­правлению к границе вода — камень, где зародыш «не пожелал» возникнуть. Если зародыш все же возник на границе между каплей и кам­нем, граница растущего кри­сталлика будет продвигаться к макушке капли.

Реальность оказывается бо­гаче обедненной схемы. Кри­сталлизация капли в реаль­ных условиях происходит не только вследствие роста заро­дыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тон­кой корочки— панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе пока­зана конечная форма капли, на кото­рой виден выброс сбоку

Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного метал­ла — германия на поверхности неметаллического кристал­ла—сапфира (это был побочный результат большой исследо­вательской работы). Подобно воде, плотность расплавленно­го германия больше, чем плотность закристаллизовавшего­ся, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое от­ношение к водяной капле.

 

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой под­ложкой. В увеличенном масштабе пока­зана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму

В нашей лаборатории были поставлены опыты с систе­мой капля воды — кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия — сапфир. В опы­тах по кристаллизации ка­пель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации ка­пель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывает­ся, что вблизи того уча­стка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,— у макушки,если зародыш возник вблизи сап­фира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нару­шающая естественную фор­му капли. Происхождение этой выпуклости легко по­нять.

Дело в том, что под за кристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Про­исходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она ста­новится источником тоненькой фонтанирующей струй­ки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.

Следовательно, правильным было утверждение, что ре­альность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кри­сталлизации сообщает фонтанчиком.