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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”的熱潮中，盧嘉錫思考物構(gòu)專業(yè)如何為“大躍進”添磚加瓦。根據(jù)當時條件，他想可以人工培養(yǎng)晶體，但國內(nèi)還沒有人進行過這樣的工作。盧嘉錫查閱文獻后，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生共4人，一起到漳州設(shè)立“晶體生長實驗室”，進行培養(yǎng)晶體的研究。當時條件簡陋，實驗室設(shè)在小學，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，實際卻很復(fù)雜。它涉及熱力學中的相平衡和相變，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�？粗К撎尥傅木w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，“晶體生長實驗室”遷回廈門大學。在大禮堂邊化學樓設(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)晶體的溶液還要進行清潔處理，達到“光學純”（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。
廈門大學在水溶液中培養(yǎng)出晶體的消息傳開后，山東大學派張克從、蔣民華趕來學習。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。
