嘗試在水溶液中培養(yǎng)晶體
1958年“8·23”炮擊金門后,全國正在“大躍進(jìn)”的熱潮中,盧嘉錫思考物構(gòu)專業(yè)如何為“大躍進(jìn)”添磚加瓦。根據(jù)當(dāng)時條件,他想可以人工培養(yǎng)晶體,但國內(nèi)還沒有人進(jìn)行過這樣的工作。盧嘉錫查閱文獻(xiàn)后,拿了一本外文參考書,找到張乾二和張炳楷兩位青年教師。晶體培養(yǎng)有許多方式,可以水溶液培養(yǎng),也可以用水熱法,還可以從熔體中提拉晶體……因為沒有直接經(jīng)驗,他對兩位年輕教師說,我們還是先易后難,先從水溶液中培養(yǎng)晶體。盧嘉錫讓他們帶兩個學(xué)生共4人,一起到漳州設(shè)立“晶體生長實(shí)驗室”,進(jìn)行培養(yǎng)晶體的研究。當(dāng)時條件簡陋,實(shí)驗室設(shè)在小學(xué),住在天主教堂,吃在專署食堂。
怎么培養(yǎng)晶體?張乾二與張炳楷先好好讀了一遍晶體生長的專著。晶體生長,外人看起來簡單,實(shí)際卻很復(fù)雜。它涉及熱力學(xué)中的相平衡和相變,要了解晶體生長的成核過程,還要考慮溶質(zhì)的擴(kuò)散過程、晶體界面的穩(wěn)定等。要培養(yǎng)什么晶體呢?他們先查看了水溶性晶體的溶解度曲線圖。不同物質(zhì)在水中的溶解度有明顯差別,大的如酒石酸鉀鈉,小的如硫酸鋰,大多數(shù)晶體溶解度隨溫度升高而增大。張炳楷看到酒石酸鉀鈉隨著溫度變化很大,心想這樣可能比較容易結(jié)晶,就選擇了它。當(dāng)時完全是白手起家,先用廣口瓶做容器。加熱水溶液要用的電爐,也沒有現(xiàn)成的,只好采購一堆電阻絲,自己動手繞電阻絲,加工成電爐。培養(yǎng)晶體需要24小時連續(xù)恒溫條件,當(dāng)時不但沒有恒溫爐,而且供電條件很差,經(jīng)常斷電。張乾二把人員分成兩班,輪流值班。先配制過飽和的酒石酸鉀鈉溶液,找一顆比較好的晶種,固定在旋轉(zhuǎn)棒上,讓晶種緩慢旋轉(zhuǎn),隨著晶體的生長,還要不斷添加晶料,保持溶液處于過飽和狀態(tài)。但是不知什么原因,晶體一直長不起來,而恒溫槽底部有時會有晶體析出,他們只好再去查參考書。書中提到,過飽和溶液在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。過飽和溶液可分為“不穩(wěn)過飽和”和“亞穩(wěn)過飽和”,但哪里是亞穩(wěn)區(qū)并不明確。
張乾二提出,我們是不是換磷酸二氫銨試試,因為它的溶解度曲線比較平緩,可能比較容易摸索亞穩(wěn)區(qū)。于是一切從頭開始,過了幾天,晶種開始慢慢長大,大家感到十分興奮,這更加強(qiáng)了做下去的信心。大家輪班培養(yǎng)晶體,記錄溫度、濃度等數(shù)據(jù)。十幾天后,晶體長到三四厘米了,大家發(fā)現(xiàn)其晶面有缺陷,這說明晶種一開始沒處理好。經(jīng)過重新處理,晶種長了二十幾天后,單晶長到了五六厘米長。看著晶瑩剔透的晶體一天天長大,大家的心里有說不出的高興。培養(yǎng)了磷酸二氫銨(ADP)單晶后,再培養(yǎng)另一種磷酸二氫鉀(KDP)晶體。就這樣,張乾二、張炳楷帶領(lǐng)學(xué)生克服了一個個困難,在水溶液中培養(yǎng)晶體方面闖出了一條路。情況好轉(zhuǎn)后,“晶體生長實(shí)驗室”遷回廈門大學(xué)。在大禮堂邊化學(xué)樓設(shè)了一間晶體室,晶體組想要培養(yǎng)大一些的晶體,就做了一個較大的恒溫槽。張乾二在內(nèi)套的培養(yǎng)玻璃缸上面加了環(huán)形圈,可使晶種緩緩移動,沿環(huán)做公轉(zhuǎn),使溶液保持均勻性;另一方面晶種又繞著自己的晶軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)。先培養(yǎng)更大的ADP和KDP晶體,在引入晶種后,為防止溶液中出現(xiàn)自發(fā)結(jié)晶,培養(yǎng)晶體的溶液還要進(jìn)行清潔處理,達(dá)到“光學(xué)純”(對光束無明顯散射現(xiàn)象)。籽晶經(jīng)過幾個月的精心培養(yǎng)后,慢慢生長到二十幾厘米長。由于晶體在生長過程中不停地自轉(zhuǎn),培養(yǎng)出來的晶面有棱有角、晶瑩剔透。
廈門大學(xué)在水溶液中培養(yǎng)出晶體的消息傳開后,山東大學(xué)派張克從、蔣民華趕來學(xué)習(xí)。他們與張乾二、張炳楷一起培養(yǎng)氯化鈉、氯化鉀晶體。雖然有了ADP和KDP晶體的培養(yǎng)經(jīng)驗,但氯化鈉、氯化鉀須從熔體中培養(yǎng)。將食鹽晶體放在坩堝中加熱熔融,籽晶在熔體上部冷卻,邊旋轉(zhuǎn)邊緩緩向上提升。但氯化鈉晶體長出來不透明,他們試著改變pH值、在熔體中摻雜,經(jīng)過多次探索后才有透明的立方晶體出現(xiàn)。張克從、蔣民華老師回到山大后,建立了晶體室。不久后(1960年)張炳楷等隨盧嘉錫到中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所,在那里也建了一個晶體室,積極進(jìn)行大口徑磷酸二氫鉀的晶體培養(yǎng)。后來物構(gòu)所又用熔鹽法培養(yǎng)出激光性能極好的偏硼酸鋇(BBO)。這兩個地方后來成為我國重要的晶體培養(yǎng)基地,不僅滿足國內(nèi)生產(chǎn)需要,還大量出口到國外。