Турмалін в акваріумі магія або шарлатанство
Розмову про застосування турмаліну потрібно почати з того, що навколо цієї теми паморочиться ціла інфраструктура шарлатанів. Напевно, багато хто з вас бачив у продажу: турмалінове мило, турмалінові гребінці, пояси, устілки та прости господи – турмалінові труси! На додаток до всього, окультні особистості наділяють цей кристал магічними властивостями, і такими, що часом дух захоплює від езотерично-турмалінового ефекту =)
Весь цей флуд служить ширмою, якоюсь завісою над істиною таємницею турмаліну. Під час підготовки даного матеріалу довелося здорово посидіти кілька діб і переробити тонни дурниць, які видавав Яндекс.Пошук за запитами про властивості турмаліну. Тим не менш, штудуючи наукову літературу з фізики та хімії: книги, доповіді, дисертації. мені вдалося докопатися до правди. На основі вивчених матеріалів, мені хотілося б поділитися з акваріумною спільнотою інформацією. В акваріумістиці, природа турмаліну також не розкрита, як і в інших сферах, в акваріумістиці розвинений тільки суб'єктивний скептицизм. Що ж, далі представлена суто наукова інформація.
Турмалін - мінерал із групи алюмосилікатів змінного складу. Існує безліч різновидів турмаліну. Нас цікавить Шерл. Шерл (від нім. Schörl) – чорний, також шерліт – мінерал підкласу кільцевих боросилікатів, різновид турмаліну, що відрізняється наявністю в кристалічній решітці натрію та двовалентного заліза. Непрозорий (на відміну інших різновидів турмалина). Має насичений чорний колір, що обумовлено присутністю атомів заліза. Використовується в промисловості (в основному, як піроелектрик та п'єзоелектрик) і, обмежено, в ювелірній справі та для виготовлення поляризаційних фільтрівв оптиці.
Хімічна формула мінералу Шерла - NaFe2 +3Al6Si6O18(BO3)3(OH)4. Як домішки замість двовалентного заліза можуть виступати магній, марганець і тривалентне залізо.
На перший погляд, здається, що – ага, двовалентне залізо! Ось навіщо в акваріумі потрібний Шерл. Але немає. Це не зовсім так, бо є інші легші та дешевші способи внесення Fe2+ в акваріум. В даному випадку, ця властивість Шерла – додаткова опція приємна.
Вперше, «акваріумну лихоманку» навколо турмаліну Шерл посіяв багатьом відомиймаестроТакаші Амано, випустивши продукт – ADA Tourmaline BC, що складається з порошку турмаліну Шерл та пудри активованого бамбукового вугілля. За статистичними даними компанії, цей продукт популярний і отримав своє визнання у Світі. Однак, вітчизняного акваріуміста відлякує ціна, та й на тлі цього скептицизм. На момент написання статті ціна ADA Tourmaline BC - 1750 рублів (АкваЛого) за 100 грам. У "Китаї" можна пошукати порошок турмаліну у надцять разів дешевше. На Аліекспрес, наприклад, однозначно продають шерл у камінні, але їх треба молоти в млині до стану пудри.
З ролика, ми можемо зрозуміти, що Шерл - це не тільки концентрат мікро-елементів для рослини, але і стимулятор - створює слабкі електричні імпульси, які, у свою чергу, мають біогенні властивості по відношенню до рослин, коренів і акваріуму в цілому. Але чи це так насправді?! А головне, за рахунок чого це можливо, якщо це можливо?!
Заглибимося у природу турмаліну. Нижче, я постараюся донести матеріал у максимально спрощеній формі, щоб уникнути нерозуміння та зайвої розмитості. Тим читачам, які хочуть досконало вивчити суть та природу турмаліну, наприкінці статті, я залишу посилання налітературу.
Піроелектрики (від ін.греч. - вогонь) - кристалічні діелектрики, що мають спонтанну (самовільну) поляризацію, тобто поляризацію без зовнішніх впливів.
Піроелектрика – це властивість деяких діелектричних кристалів змінювати величину електричної поляризації за зміни температури. Внаслідок нагрівання або охолодження піроелектричного кристала на його гранях з'являються електричні заряди.
Кристали піроелектричних речовин – діелектрики, які мають мимовільну (спонтанну) електричну поляризацію. Так як піроелектричні явища відносяться до векторних, то піроелектричні властивості повинні мати кристали діелектриків десяти полярних класів: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.
Піроелектричний ефект був вперше виявлений на кристалах турмаліну (клас 3m). Було помічено, що на білому папері, на якому довго лежали кристали, пилюка збиралася особливо інтенсивно біля кінців кристала. Цей ефект пояснюється тим, що при коливаннях кімнатної температури на кінцях кристала з'являються заряди, до яких і притягувалися порошинки.
Це явище було дуже наочно і ефективно підтверджено досвідом Кундта в 1883 року, який полягає у запиленні кристалів турмаліну сумішшю порошку сірки і сурика (Pb3O4), попущеної через шовкове сито. Так як частинки цих мінералів при терті про шовк наелектризуються по-різному, то червоний сурик і жовта сірка притягуються до різних кінців кристала турмаліну (що відповідає кінцям осі 3-го порядку), підтверджуючи цим поява протилежних зарядів на кінцях нагрітого кристала. Знання знаків заряду порошків (у сірки "-", у сурика "+") дозволило встановити характер електризації турмаліну. При охолодженні такого ж кристалазнаки поляризації змінюються протилежні.
Такі властивості піроелектриків використовуються, наприклад, у приладах точного обліку коливань температури. А також у інших сферах.
Деякі цифри. Платівка турмаліну, товщиною 1 мм, має γ= 1,3*10 -5 Кл/м 2 *К. Реєструє зміну температури 10 -5 °C. При нагріванні на 10 °C на ній утворюється заряд з поверхнево щільністю 5*10 -5 Кл*м 2 , що відповідає різниці потенціалу між гранями
1,2 кв. У сегнетоелектриків піроелектричний коефіцієнт на 1-2 порядки більше, ніж у турмаліну.
Деякі значення при 20 C.
Турмалін 1,3 * 10 -5
Сульфат літію 3*10 -4
Ніобат літію 2*10 -3
Танталат літію 1*10 -4
Титанат барію (0,5-1)*10 -3
Сегнетокераміка 5*10-5
Крім того, кожен піроелектричний кристал є п'єзоелектриком . Зміна температури кристала викликає деформацію, а слідує п'єзоелектрична поляризація, що накладається на поляризацію, викликану піроефектом.Тобто має місце "первинний" ("справжній") піроефект і "вторинний" або "хибний" піроефект.
П'єзоелектрики - діелектрики, в яких спостерігається п'єзоефект, тобто ті, які можуть або під дією деформації (здавлювання/розтягування) індукувати електричний заряд на своїй поверхні (прямий п'єзоефект), або під впливом зовнішнього електричного поля, температури деформуватися (Зворотний п'єзоефект). Обидва ефекти відкриті братами Жаком та П'єром Кюрі у 1880—1881 роках.
П'єзоелектрики широко використовуються в сучасній техніці як елемент датчика тиску. Існують п'єзоелектричні детонатори, джерела звуку величезної потужності, мініатюрні трансформатори, кварцові резонатори для високостабільних генераторів частоти,п'єзокерамічні фільтри, ультразвукові лінії затримки та ін.У побуті можна спостерігати п'єзоефект, наприклад, у запальничці, де іскра утворюється від натиску на п'єзопластинку, а також при медичній діагностиці за допомогою УЗД, в якій використовуються п'єзоелектричні джерело та датчик ультразвуку.
Зі сказаного ми отримуємо, що є кристали піроелектрики - "виробні струм" при нагріванні і п'єзоелектрики - "виробляють струм" при стисненні/розтягуванні. При цьому піроелектрики завжди є і п'єзоелектриками, але п'єзоелектрики не завжди піроелектрики.
Таких піро-п'єзоелектриків досить багато: деякі лінійні мінерали (турмалін), сегентоелектрики, цукор, амінокислоти, кварц і т.д.
Цікава інфографіка, яка пояснює на пальцях
суть п'єзоелектриків
Розбираючись у чаклунстві Такаші Амано зрозуміло, чому він вибрав саме Шерл – природний лінійний діелектрик, який має необхідний рослин електричним імпульсом з плюшками іонів Fe2+. Однак, у процесі написання матеріали мені довелося добряче попрацювати, щоб розвінчати свій власний скепсис щодо турмаліну. Справа в тому, що турмалін - напівдорогоцінний камінь, вартість якого досить велика. Зрозуміло, що ми не зможемо використовувати цукор, інші речовини через їхні властивості, які не прийнятні в акваріумі. Але ж кварц! Чому скажемо Такаші Амано не використав кварц!? Адже той же кварцовий пісок – найдешевший будівельний матеріал, що містить 95% кварцу!
Те, що кварц є стовідсотковим п'єзоелектриком – безперечно. Але в рідкісних джерелах також звучало, що кварц є і піролектриком. Тобто тим матеріалом, який нам потрібен в акваріумі - дає струм, не тільки при деформації, але при нагріванні... Як так?! Виходить, що Такаші Амано –шарлатан!?
Чесно кажучи, на якомусь етапі вивчення питання було повне розчарування, я сумно гортав інфу, розуміючи, що Амановський турмалін – це черговий фейк.
Згодом, все ж таки допитливість розуму змусила задуматися – ну, невже Амано буде через щомиті вигоди, так ганьбитися і продавати баланду?! Другий момент, який мене підбадьорив, став висновок: якщо кварц – це піроелектрик, то влітку на пляжі всі б наші милі дівчата та брутальні чоловіки з начосом були б, як вовняні кульбаби! Адже на пляжі пісок (95% кварц) з невеликими домішками, що сонцем нагрівається і до 40, і до 50 градусів!
Значить кварц - все ж таки не піроелектрик! Але чому ж тоді прослизає інформація про це. Діставшись до глибин природи кварцу, були зроблені висновки, що все ж таки не кожен кварц має гарний навіть п'єзоефект: домішки, структурні дефекти кристалів кварцу, нівелюють ці властивості. Тим не менш, цією відповіддю, я не задовольнився, кварцовий пісок дешевий і нехай він «слабкий», але ж нам не шкода його насипати в акваріум… хоч десять кілограм, хоч двадцять… аби він «працював» на благо рослин.
Довелося гризти граніт науки далі! І ось, десь у найпотаємніших закутках інтернет-всесвіту було видобуто таку інформацію:
Як електричне явище піроефект був кваліфікований близько 200 років тому Епінус. Однак основні аспекти симетрії та фізичний механізм піроефекту були описані лише на початку ХХ століття Фогтом. Крім кристалів групи турмаліну, поява "електричного відгуку" при зміні температури спостерігалося і в кварці, в якому немає векторного полярного електричного моменту (кварц - непіроелектрик, але п'єзоелектрик). Пояснення «піроефекту вкварці» було дано лише близько 15 років тому, коли було встановлено, що «штучна піроелектрика» може проявитися за певних граничних умов у всіх п'єзоелектричних класах кристалів, як наслідок штучно створеної дисиметрії.
Ще можна сказати, що кристалічний кварц не є піроелектриком, але індикування електричного поля при вільній деформації кристала за рахунок термічного розширення реалізується через п'єзоелектричний ефект.
Що це означає, якщо спростити сказане? А значить – це те, що турмалін – це справжній піроелектрик. Тобто, виробляє електричні імпульси від впливу температури, навіть без деформації (доведено науковими дослідами), механічна деформація або деформація кристалічних ґрат турмаліну внаслідок нагрівання дає лише вторинний п'єзо-піроефект (а в сукупності сумарна електрика). Кварц – лише п'єзоелектрик, «працює» лише від деформації, яку можна викликати, у тому числі термічним впливом на структуру кристала кварцу. Таким чином, «хибний піроефект» у кварці, по суті, є п'єзоефектом.
Щоб отримати з кварцу хоч трохи «хибну піроелектрику» його потрібно гарненько нагріти. Тобто, про отримання піроефекту від невеликих температурних коливань з кварцу не йдеться. Тому ми нічого не отримаємо від додавання кварцового піску або навіть чистих кристалів кварцу в акваріум. Загалом, саме тому дівчата на пляжі не виглядають, як вовняні їжачки, навіть за відносно сильного нагрівання кварцового піску.
Дані піроефекту при температурі 20 С, за різними мінералами: