Dla wszystkich specjalistów w dziedzinie krystalografii czy fizyki ciała stałego jest całkiem jasne, że w przypadku kryształu mamy do czynienia z uporządkowanym rozmieszczeniem atomów lub jonów w przestrzeni. W niektórych przypadkach, na przykład w kryształkach lodu lub zestalonych gazach, możemy mówić o cząsteczkach. Dla zwięzłości, dalej będziemy mówić tylko o atomach, w tym zjonizowanych (jonach), chyba że określono coś innego.
Zatem kryształ to układ atomów uporządkowanych w przestrzeni. Umieszczone są w prawidłowy sposób i najczęściej tak, aby jak najdokładniej wypełniały przestrzeń. Próbując ustawić kulki stalowe z łożyska kulkowego blisko siebie, otrzymujemy całkiem przyzwoity model struktury kryształu i szybko przekonujemy się, że liczba sposobów umieszczenia kulek jest ograniczona. W zależności od tego, jak rzędy atomów i płaszczyzny atomowe są usytuowane względem siebie, można uzyskać różne rodzaje kryształów. Z kolei rodzaj ułożenia atomów determinuje ich wzajemne oddziaływanie, charakter wiązania między cząstkami.
Ostrożne rozbicie kryształów daje w efekcie niezwykłe struktury o ciekawych właściwościach. Najpierw pojawiają się duże obszary z dodatnim lub ujemnym ładunkiem powierzchniowym, tworząc silne pole elektryczne, a następnie zamieniają się w labirynty o szerokości zaledwie kilku atomów.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, - поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. - Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
W ramach nowych badań fizycy próbowali zrozumieć, w jaki sposób dokładnie reorganizowane są atomy, aby zapobiec katastrofie polaryzacyjnej. „W odpowiedzi na usterkę powierzchnia może zmieniać się na różne sposoby” - mówi pierwszy autor, Martin Setvin. „Elektrony mogą zacząć się gromadzić w określonych miejscach, sieć krystaliczna może zostać zniekształcona lub cząsteczki powietrza mogą przylgnąć do powierzchni, zmieniając jej właściwości”.
Naukowcy rozszczepili kryształy tantalanu potasu KTaO3 w niskich temperaturach i uzyskali rozszczepienia, w których połowa atomów z warstwy o tych samych ładunkach pozostała na jednym fragmencie, a drugi na innym. Regiony z jonami o tym samym ładunku tworzyły „wyspy”, chociaż przeciętnie ich powierzchnia była obojętna. „Niemniej jednak wyspy są wystarczająco duże, więc nie można całkowicie uniknąć katastrofy związanej z polaryzacją - pole, które tworzą, jest tak duże, że zmienia właściwości leżących pod nim warstw” - powiedział Setvin.
Film promocyjny:
Przy niewielkim wzroście temperatury wyspy rozpadły się w labirynt przerywanych linii, a jego „ściany” miały tylko jeden atom wysokości i 4-5 atomów szerokości.
„Struktury podobne do labiryntu są nie tylko piękne, ale także potencjalnie przydatne” - podsumował Diebold. „To jest dokładnie to, czego potrzebujesz - silne pola elektryczne w skali atomowej”. Jednym z możliwych zastosowań autorzy nazywają przeprowadzanie reakcji chemicznych, które nie zachodzą w innych warunkach, na przykład rozszczepianie wody na wodór.
Główne właściwości kryształów - anizotropia, jednorodność, zdolność do samozapłonu i obecność stałej temperatury topnienia determinuje ich struktura wewnętrzna.
Anizotropia
Ta właściwość jest również nazywana brakiem podobieństwa. Wyraża się to tym, że właściwości fizyczne kryształów (twardość, wytrzymałość, przewodność cieplna, przewodnictwo elektryczne, prędkość propagacji światła) nie są takie same w różnych kierunkach. Cząsteczki tworzące strukturę krystaliczną w nierównoległych kierunkach są oddalone od siebie w różnych odległościach, w wyniku czego właściwości substancji krystalicznej w tych kierunkach powinny być różne. Mika jest typowym przykładem substancji o wyraźnej anizotropii. Płytki krystaliczne tego minerału łatwo się rozszczepiają tylko wzdłuż płaszczyzn równoległych do częstotliwości płyt. O wiele trudniej jest rozłupać płytki miki w poprzek.
Anizotropia przejawia się również w tym, że gdy kryształ jest wystawiony na działanie dowolnego rozpuszczalnika, szybkość reakcji chemicznych jest różna w różnych kierunkach. W rezultacie każdy kryształ po rozpuszczeniu przybiera swoje charakterystyczne formy, które nazywane są figurami trawienia.
Substancje amorficzne charakteryzują się izotropią (równoważnością) - właściwości fizyczne we wszystkich kierunkach przejawiają się w ten sam sposób.
Jednolitość
Wyraża się to w fakcie, że wszelkie elementarne objętości substancji krystalicznej, jednakowo zorientowane w przestrzeni, są absolutnie identyczne pod względem wszystkich swoich właściwości: mają ten sam kolor, masę, twardość itp. tak więc każdy kryształ jest ciałem jednorodnym, ale jednocześnie anizotropowym.
Jednorodność nie jest unikalna dla ciał krystalicznych. Stałe formacje amorficzne mogą być również jednorodne. Ale ciała amorficzne nie mogą same przybierać wielopłaszczyznowej formy.
Zdolność samoograniczenia
Zdolność do konfrontacji z samym sobą wyraża się w tym, że każdy fragment czy kula odwrócona z kryształu w odpowiednim dla jego rozwoju podłożu z czasem pokrywa się ścianami charakterystycznymi dla danego kryształu. Ta cecha jest związana ze strukturą kryształu. Na przykład szklana kula nie ma takiej funkcji.
Kryształy tej samej substancji mogą różnić się od siebie rozmiarem, liczbą ścian, krawędziami i kształtem ścian. Zależy to od warunków tworzenia się kryształu. Przy nierównomiernym wzroście kryształy są spłaszczone, wydłużone itp. Kąty między odpowiednimi ścianami rosnącego kryształu pozostają niezmienione. Ta cecha kryształów jest znana jako prawo stałości kątów fasetek. W tym przypadku rozmiar i kształt powierzchni różnych kryształów tej samej substancji, odległość między nimi, a nawet ich liczba mogą się różnić, ale kąty między odpowiednimi ścianami we wszystkich kryształach tej samej substancji pozostają stałe w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury.
Prawo stałości kątów fasetowanych zostało ustanowione pod koniec XVII wieku przez duńskiego naukowca Steno (1699) na kryształach żelaznego połysku i kryształu górskiego; później to prawo zostało potwierdzone przez M. V. Lomonosov (1749) i francuski naukowiec Rome de Lille (1783). Prawo stałości kątów fasetek nazywane jest pierwszym prawem krystalografii.
Prawo stałości kątów fasetek tłumaczy się tym, że wszystkie kryształy jednej substancji mają identyczną strukturę wewnętrzną, tj. mają taką samą strukturę.
Zgodnie z tym prawem kryształy określonej substancji charakteryzują się określonymi kątami. Dlatego mierząc kąty, można udowodnić przynależność badanego kryształu do jednej lub drugiej substancji. Na tym opiera się jedna z metod diagnostyki kryształów.
Aby zmierzyć dwuścienne kąty kryształów, wynaleziono specjalne urządzenia - goniometry.
Stała temperatura topnienia
Wyraża się to w fakcie, że gdy ciało krystaliczne jest podgrzewane, temperatura wzrasta do określonej granicy; przy dalszym ogrzewaniu substancja zaczyna się topić, a temperatura pozostaje stała przez pewien czas, ponieważ całe ciepło przechodzi do zniszczenia sieci krystalicznej. Temperatura, w której zaczyna się topnienie, nazywana jest temperaturą topnienia.
Substancje amorficzne, w przeciwieństwie do krystalicznych, nie mają jasno określonej temperatury topnienia. Na krzywych chłodzenia (lub ogrzewania) substancji krystalicznych i amorficznych można zauważyć, że w pierwszym przypadku występują dwa ostre przegięcia odpowiadające początkowi i końcowi krystalizacji; W przypadku chłodzenia substancji amorficznej mamy gładką krzywą. Na tej podstawie łatwo odróżnić substancje krystaliczne od amorficznych.
Siła kryształu
Problem wytrzymałości kryształów był i pozostaje jednym z najważniejszych w nowoczesnej technologii. Faktem jest, że powszechnie stosowane materiały konstrukcyjne to głównie stopy żelaza (stal), aluminium (silumin, duralumin), miedzi (mosiądz, brąz) i niektórych innych metali, a wszystkie mają strukturę krystaliczną. W przypadku metali rzadko mamy do czynienia z tak regularnymi i pięknymi kryształami, o których była mowa wcześniej. Stopy metali mają tak zwaną strukturę polikrystaliczną, to znaczy składają się z pojedynczych ziaren - kryształów, nieco rozłożonych względem siebie.
Krok po kroku człowiek przechodził z mniej wytrzymałego materiału na trwalszy, co prowadziło do doskonalenia całej stosowanej technologii i poszerzania jej możliwości. Teraz w walce o siłę liczy się tylko interes; praktycznie wszystko, co możliwe, zostało wyciśnięte z materiałów technicznych, a każdy kolejny krok podany jest z coraz większym trudem.
Dwadzieścia lat temu wydawało się, że gdyby ktoś nauczył się hodować duże, pozbawione defektów kryształy, problem wytrzymałości zostałby całkowicie rozwiązany, a zużycie metalu zmniejszyłoby się setki razy. Niestety te nadzieje się nie spełniły. Wyhodowanie doskonałego dużego kryształu jest albo bardzo drogie, albo niemożliwe. Tylko w takich dziedzinach jak elektronika możesz sobie na to pozwolić. Na przykład kryształy półprzewodników Ge i Si są hodowane praktycznie bez defektów. To samo dotyczy rubinowych kryształów do laserów. Jeśli chodzi o materiały konstrukcyjne, tutaj nadal konieczne jest osiągnięcie wysokich wartości wytrzymałości, podążając tradycyjną ścieżką.
I jeszcze jeden ważny wniosek. Okazuje się, że o wielu właściwościach fizycznych kryształów, a przede wszystkim o ich wytrzymałości, decyduje nie idealna sieć krystaliczna, ale odchylenia od idealności - struktura defektu. Umiejętne wykorzystanie takich wad kryształu pozwala kontrolować jego właściwości i dostosowywać je do różnych wymagań współczesnej technologii. Dla fizyka czy inżyniera defekty są bardzo ważnym składnikiem kryształu, bez którego praktycznie nie może istnieć. Ale temat defektów kryształów zasługuje na głębszą i bardziej wszechstronną dyskusję, niż jest to możliwe w tym artykule.