Давным-давно
Миллионы лет назад. Много воды. Моря с разнообразным животным миром. Богатая растительность на суше. Земля – первозданная, чистая, бурлящая извержением вулканов и гейзеров. В расщелинах скал скапливается насыщенная кремнием вода, и с течением веков эта коллоидная масса превращается в красивый драгоценный камень, играющий всеми цветами радуги – опал.
Опал сейчас можно найти в Австралии, Мексике, северной Бразилии, Эфиопии, Мали, в штатах Невада и Айдахо.
Как красива была Земля, когда зарождался в ее недрах и пустотах этот камень. Возвышенно и чудесно – то под бурные звуки вулканов, то в уединенном спокойствии, то в тихом и монотонном остывании. И только музыка Баха может сравниться с возникновением опала на земле. Хорошо Темперированный Клавир состоит из двух камерных форм – прелюдии и фуги. Но сколько эмоций и какой богатый внутренний мир отражается в мелодиях!
Причем тут Бах
Современная нотная система состоит из двенадцати полутонов (хроматическая октава: до, до диез, ре, ре диез, ми, фа, фа диез, соль, соль диез, ля, ля диез, си) и легко выстраивает высотное соотношение между различными интервалами. Это означает, что музыкальное произведение, исполненное в любой тональности, звучит одинаково хорошо.
Интервал – это промежуток между звуками различной высоты. А выравнивание соотношений между ступенями музыкального звукоряда называется темперацией. Во времена Баха таких и роялей, и темпераментов как сейчас не было.
Были распространены музыкальные системы с неравномерной темперацией, поэтому музыкальное произведение, транспонированное в другую тональность, звучало уже по-другому, так как не было полного равенства между интервалами . Бах создал Хорошо Темперированный Клавир (ХТК), который включает два тома по 24 прелюдии и фуги, следующие друг за другом по ступеням восходящей хроматической гаммы. Хорошо Темперированный Клавир Баха – это гармония, основа для классической музыки, наполненная высокой духовностью.
Прелюдия – это оживленная, подвижная по исполнению, шестнадцатые ноты так и бегут под пальцами и выразительная по содержанию. Её энергичность сходна с Землей в те времена, когда зарождался опал. Прелюдия в ХТК Баха звучит как вступление к фуге. Фуга – по-латыни означает бег. Её начинает один голос, и затем повторяют другие: от альта до сопрано.Фуги Баха поражают величием и красотой музыки. В них запечатлены различные стороны духовной жизни человека. Попробуйте подобрать к слову «спокойно» эмоции для исполнения! Спокойно: безмятежно, добродушно, светло, непринужденно, простодушно, прозрачно, раскованно, невозмутимо, покорно… Хорошо темперированный строй, созданный Бахом, давал чистоту применяемых гармоний. И выращенный опал играет всеми цветами радуги! Он красив, когда внутри построение совершенное, упорядоченное, без дефектов в кристаллической решетке.
Опал кристаллизуется медленно, самое главное, когда его выращиваешь– получить микросферы одинакового размера и упаковать их в трехмерные решетки. Акустические колебания с правильно подобранными амплитудами и частотами способствуют упаковке. А чем она лучше – тем цвет у опала будет более насыщенный, ярче. Можно поставить растущий кристалл на динамик или пьезоэлемент. Если цель – вырастить строго упорядоченный и относительно одноцветный кристалл, то частицы следует упаковать одной частотой, громко барабаня единственной выбранной нотой, тем самым встряхивая их.А если растить кристалл под музыку Баха, то для маленьких сфер, которые при хорошей монодисперсности и чистом растворителе (этаноле) упорядочиваются несмотря ни на что, получится разнообразная игра красок. Фантазия поможет создать картину гипотетического осуществления этого процесса. Испарять этанол необходимо достаточно быстро при осаждении на вертикальном субстрате при движении фронта 3-4 мм в час. Тогда в секунду будут высушиваться и упаковываться несколько слоев сфер с диаметром несколько сотен нм и акустические колебания начнут записываться в упаковку кристалла. При быстрой музыке (шестнадцатые ноты) процесс испарения нужно проводить чуть быстрее. Это можно достичь повышенными температурами (70-80 градусов Цельсия), или пониженным давлением, создаваемым вакуумным насосом.
Что такое фотонные кристаллы
Опал – фотонный кристалл. Природными фотонными кристаллами являются и эти красивые бабочки. Мы провели наблюдение.
Положили под оптический школьный микроскоп крыло фиолетовой бабочки – данаиды мельцибер и синей – морфо. Сфотографировали. Мы увидели чередование темных и светлых полос. И сделали вывод – крылья бабочки представляют собой отражательную дифракционную решетку, состоящую из чешуек, которые являются сетью хитиновых пластинок, разъединенных воздушными промежутками. Свет отражается от них и разделяется на цветовые компоненты, а они интерферируют.
Фотонный кристалл функционирует как дифракционная решетка, то есть одни длины волн он отражает, другие – пропускает.
Формула дифракционной решетки (закон Вульфа-Брэгга) для усиления света: (d∙ sin α) = к* λ, где d – постоянная решетки – расстояние, включающее ширину прозрачной и непрозрачной части; α – угол (для опалов), под которым падает свет; (d∙ sin α) – оптическая разность хода; к – порядок спектра; λ – длина волны падающего перпендикулярно к решетке света. Для отражающей решетки можно записать оптическую разность хода как удвоенное произведение показателя преломления и диаметра микросфер: 2n∙ d = к λ, где λ – длина волны отраженного света.
Выращивание искусственных опалов
Как вырастить искусственный опал?
Для синтеза опалов главная задача получить микросферы одинакового размера, их очистить и упаковать в трехмерные решетки. Способы их упаковки изучил Штейнберг А.С. Самое основное – получить хорошие однородные частицы. Размеры частиц, определяющие игру света, приблизительно оценивает формула: 2n∙ d = λ, где n – показатель преломления сфер порядка 1.4. Фиолетово-синий свет с длиной волны 410-430 нм будет отражаться частицами порядка 150 нм. Красный - дадут частицы размером 270-280 нм. Остальные цвета радуги получатся в промежутке. Более крупные частицы – более 280 нм дают несколько менее ярких цветов, и, кроме того, их сложнее упаковать.
Методика роста сфер имеет опосредованное отношение к красивым фотографиям по ссылкам:
1. http://www.regrowth.com "Микросфера дикосида кремния" Van Blaaderen, A.; van Geest, A.; Vrij, A. J. Colloid Interface Sci. 1992, 154, 481).
2. http://www.regrowth.com "Вертикальный рост пленок/слоев опалов" (Jiang, P.; Bertone, J. F.; Hwang, K. S.; Colvin, V. L. Chem. Mater. 1999, 11, 2132).
Методика одностадийного роста более стабильна. Для синтеза микросфер диоксида кремния используется обычно тетраэтоксисилан (или тетраортосиликат), чистая вода, чистый этанол и очень чистый раствор 28% аммиака (он должен быть с минимальным содержанием ионов, особенно железа и алюминия). Молярное соотношение веществ описано в работе “Синтез и оптические свойства фотонных кристаллов на основе диоксида кремния”, (Синицкий Александр Сергеевич, МГУ, ФНМ, 2003). Чтобы рассчитать молярные объемы, надо вспомнить формулы для плотности вещества и его процентного содержания по массе. Синтез протекает при комнатной температуре. Чтобы получились частички размером 150 нм, температуру надо повысить до 60˚ С, варьируя промежутками от 20 до 60˚ С, получаются частички разных размеров. Если синтез прошел хорошо, то каплю можно просто высушить, и появятся радужные цвета опалов. Синтез фотонных кристаллов достаточно новое направление. Попробуйте вырастить опал! Это такое же чудо, как дикие бабочки, на первый взгляд кажущиеся ручными, в Прибайкальском национальном парке.
Мир увлекателен и познаваем. В основе познания лежат научные знания. Но фантазии помогают сделать открытие!
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь при составлении работы Китаеву В.В.
Идея роста опала под музыку Баха (гипотетическая) - Е.А.Гудилин
Ссылки:
1. http://www.math.uwaterloo.ca/~mrubinst/tuning/tuning.html,
2. http://nevynosimyj-site.tk/vse-stati-s-mertvymi-vneshnie-ssylki/xorosho-temperirovannyj-klavir
3. Van Blaaderen, A.; van Geest, A.; Vrij, A. J. Colloid Interface Sci. 1992, 154, 481.
4. Jiang, P.; Bertone, J. F.; Hwang, K. S.; Colvin, V. L. Chem. Mater. 1999, 11, 2132
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Morpho
6. http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15.html , http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15A.html
