A kristálylográfia vagy a szilárdtestfizika minden szakembere számára egyértelmű, hogy egy kristály esetében az atomok vagy ionok rendezett elrendezésével van szó az űrben. Bizonyos esetekben, például jégkristályokban vagy megszilárdult gázokban, molekulákról beszélhetünk. A rövidség kedvéért tovább csak az atomokról fogunk beszélni, ideértve az ionizált (ionokat) is, hacsak más nincs megadva.
Tehát a kristály az űrben rendezett atomok rendszere. Megfelelő módon vannak elhelyezve, és leggyakrabban, hogy a helyet a lehető legszorosabban töltsék ki. Ha megpróbáljuk az acélgömböket egy golyóscsapágyból egymáshoz közel elhelyezni, megkapjuk a kristályszerkezet elég tisztességes modelljét, és gyorsan meggyőződünk arról, hogy a golyók elhelyezési lehetőségei korlátozottak. Attól függően, hogy az atomvonalak és az atomszintek hogyan helyezkednek el egymással szemben, különféle típusú kristályok állíthatók elő. Az atomok elrendezésének típusát viszont kölcsönhatásuk, a részecskék közötti kötés jellege határozza meg.
A kristályok gondos törése szokatlan szerkezeteket eredményez, érdekes tulajdonságokkal. Először nagy és pozitív vagy negatív felületű töltésű területek jelennek meg, amelyek erőteljes elektromos mezőt hoznak létre, majd csak néhány atom szélességű labirintusokká alakulnak.
Az ionos kristályok sok tulajdonsága az atomskálán levő szerkezetüknek köszönhető: a pozitív és negatív töltésű atomok vonzzák egymást, és erős periodikus rácsot képeznek. A kristály felületén lévő töltéseket azonban kompenzálni kell. "Ha egy kristályt egy köbméretű ráccsal osztunk meg bizonyos irányok mentén, akkor csak egy típusú töltést kaphatunk" - magyarázza a munka egyik szerzője, Ulrich Diebold, a bécsi egyetem. "Ez a konfiguráció rendkívül instabil." Lehetséges, hogy egy ilyen réteg egy millió mintánál több millió voltos feszültségű mezőt hozhat létre. A tudósok ezt a helyzetet "polarizációs katasztrófának" hívják.
Egy új tanulmányban a fizikusok megpróbálták megérteni, hogyan pontosan átszervezik az atomokat a polarizációs katasztrófa megelőzése érdekében. "A felület különböző módon változhat egy hiba miatt" - mondja Martin Setvin első szerző. "Az elektronok bizonyos helyeken elkezdhetnek felhalmozódni, a kristályrács eltorzulhat, vagy a levegőből származó molekulák tapadhatnak a felülethez, megváltoztatva tulajdonságait."
A tudósok alacsony hőmérsékleten elválasztják a KTaO3 kálium-tantalata kristályait, és olyan hasadásokat kaptak, amelyekben a réteg atomjai felének ugyanazokkal a töltésekkel fele maradt az egyik, a másik a másikon. Az azonos töltésű ionokkal rendelkező régiók "szigeteket" alkotnak, bár a felület átlagosan semleges volt. "Ennek ellenére a szigetek elég nagyok, tehát a polarizációs katasztrófát nem lehet teljes mértékben elkerülni - az általuk létrehozott mező olyan nagy, hogy megváltoztatja az alatta lévő rétegek tulajdonságait" - mondta Setvin.
Promóciós videó:
A hőmérséklet enyhe emelkedése következtében a szigetek szétesett egy törött vonalak labirintusává, és annak "falai" csak egy atommagasságúak és 4-5 atom szélességűek voltak.
„A labirintusszerű szerkezetek nemcsak gyönyörűek, de potenciálisan hasznosak is” - fejezte be Diebold. "Pontosan erre van szükséged - erős elektromos mezők atomi skálán." Az egyik lehetséges alkalmazás a szerzők kémiai reakciók végrehajtására hívnak fel, amelyek nem történnek meg más körülmények között, például a víz felosztására hidrogén előállítása céljából.
A kristályok fő tulajdonságait - anizotrópiát, homogenitást, öngyulladási képességet és állandó olvadáspontot - belső szerkezetük határozza meg.
Anisotropy
Ezt a tulajdonságot nem hasonlóságnak is nevezik. Ez abban a tényben fejeződik ki, hogy a kristályok fizikai tulajdonságai (keménység, szilárdság, hővezető képesség, elektromos vezetőképesség, a fény terjedésének sebessége) eltérő irányban. A kristályszerkezetet nem párhuzamos irányban alkotó részecskék egymástól különböző távolságra vannak egymástól, ennek eredményeként a kristályos anyag tulajdonságainak ilyen irányban eltérőeknek kell lenniük. A csillám egy kifejezett anizotrópiával rendelkező anyag tipikus példája. Ennek az ásványnak a kristálylapjait csak a sík mentén osztják meg, a lemezfrekvenciával párhuzamosan. Sokkal nehezebb a csillámlemezek keresztirányú felosztása.
Az anizotropia abban is nyilvánul meg, hogy amikor a kristályt bármilyen oldószernek ki vannak téve, a kémiai reakciók sebessége különböző irányokban eltérő. Ennek eredményeként mindegyik kristály feloldódáskor megkapja jellegzetes formáit, amelyeket maratási alaknak hívnak.
Az amorf anyagokat izotropia (ekvivalencia) jellemzi - a fizikai tulajdonságok minden irányban azonosak.
egyöntetűség
Ez abban a tényben fejeződik ki, hogy a kristályos anyag bármely elemi térfogata, azonos térbeli orientációval, tulajdonságait tekintve teljesen azonos: azonos színű, tömegű, keménységű, stb. tehát minden kristály homogén, de ugyanakkor anizotróp test.
Az egységesség nem jellemző a kristálytestekre. A szilárd amorf képződmények homogének is lehetnek. De az amorf testek önmagukban nem válhatnak sokoldalúvá.
Önkorlátozó képesség
Az önarcolás képessége abban fejeződik ki, hogy a kristályból származó bármely fragmentum vagy gömb, amely növekedéséhez megfelelő közegben fordul elő, az adott kristályra jellemző felületekkel borítja az idő múlásával. Ez a szolgáltatás társul a kristályszerkezethez. Például egy üveggömbnek nincs ilyen tulajdonsága.
Ugyanazon anyag kristályai különbözhetnek egymástól méretük, az arcok száma, az élek és az arcok alakja alapján. Ez a kristály képződésének körülményeitől függ. Egyenetlen növekedés mellett a kristályok ellapulnak, meghosszabbodnak stb. A növekvő kristály megfelelő felületei közötti szögek változatlanok maradnak. A kristályok ezt a tulajdonságát az arcfelületi szögek állandósági törvényének nevezik. Ebben az esetben ugyanannak az anyagnak a különféle kristályainak mérete és alakja, a köztük lévő távolság és akár azok száma is változhat, de az ugyanazon anyag minden kristályában a megfelelő oldalak közötti szögek állandóak ugyanolyan nyomás- és hőmérsékleti viszonyok között.
A csiszolt szögek állandóságának törvényét a 17. század végén Steno dán tudós (1699) állapította meg a vasfény és a sziklakristály kristályairól; ezt a törvényt később M. V. Lomonosov (1749) és a római tudós, Róma de Lille (1783). Az arcfelület-szögek állandóságának törvényét a kristálylográfia első törvényének hívják.
Az arcszögek állandóságának törvénye azzal magyarázható, hogy egy anyag minden kristálya belső felépítésében azonos, azaz azonos felépítésű
E törvény szerint egy anyag kristályait sajátos szögeik jellemzik. Ezért a szögek mérésével igazolható, hogy a vizsgált kristály egy vagy másik anyaghoz tartozik. Az egyik kristálydiagnosztikai módszer ezen alapszik.
A kristályok divíziós szögeinek mérésére speciális eszközöket találtak - goniométereket.
Állandó olvadáspont
Ez abban a tényben fejeződik ki, hogy amikor egy kristálytest felmelegszik, a hőmérséklet egy bizonyos határra emelkedik; a további hevítés során az anyag megolvad, és a hőmérséklet egy ideig állandó marad, mivel minden hő a kristályrács pusztulásához vezet. Az olvadáspont kezdő hőmérséklete az olvadáspont.
Az amorf anyagoknak - a kristályos anyagoktól eltérően - nincs egyértelműen meghatározott olvadáspontja. A kristályos és amorf anyagok hűtési (vagy fűtési) görbéin láthatjuk, hogy az első esetben két éles inflexió fordul elő, ami a kristályosodás kezdetének és végének felel meg; az amorf anyag hűtése esetén sima görbét kapunk. Ezen az alapon könnyű megkülönböztetni a kristályos anyagokat az amorf anyagoktól.
Kristályerősség
A kristályszilárdság problémája a modern technológiában volt és továbbra is az egyik legfontosabb. A tény az, hogy a széles körben használt szerkezeti anyagok elsősorban vas (acél), alumínium (szilumin, duralumin), réz (sárgaréz, bronz) és más fémek ötvözetei, és mindegyikének kristályszerkezete van. A fémek esetében ritkán foglalkozunk ilyen szabályos és gyönyörű kristályokkal, amelyeket korábban tárgyaltak. A fémötvözetek úgynevezett polikristályos szerkezetűek, azaz különálló szemcsékből állnak - kristályok, amelyek egymáshoz képest kissé vannak hajtogatva.
Lépésről lépésre az ember a kevésbé tartós anyagból egy tartósabbra váltott, ez az összes alkalmazott technológia fejlesztéséhez és képességeinek bővítéséhez vezetett. Az erőszakért folytatott küzdelemben csak az érdeklődés számít; gyakorlatilag mindent, ami lehetséges, kivágták a műszaki anyagokból, és minden ezt követő lépést egyre nehezebbé tesznek.
Húsz évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy ha megtanulják nagy méretű, hibátlan kristályok termesztését, akkor az szilárdsági probléma teljes mértékben megoldódik, és a fémfelhasználás százszor csökken. Sajnos ezek a remények nem valósultak meg. Vagy nagyon drága, vagy lehetetlen tökéletes nagy kristályt termeszteni. Csak olyan területeken, mint például az elektronika, engedheti meg magának. Például a Ge és Si félvezető kristályokat gyakorlatilag hibamentesen termesztik. Ugyanezek a lézer rubinkristályai. Ami a szerkezeti anyagokat illeti, itt még mindig meg kell érni a nagy szilárdsági értékeket, a hagyományos utat követve.
És még egy fontos következtetés. Kiderült, hogy a kristályok sok fizikai tulajdonságát, elsősorban erősségüket, nem egy ideális kristályrács határozza meg, hanem az idealitástól való eltérések - egy hibás szerkezet. A kristály ilyen hibáinak ügyes használata lehetővé teszi azok tulajdonságainak ellenőrzését és a modern technológia különféle követelményeihez történő hozzáigazítását. Fizikus vagy mérnök számára a hibák a kristály nagyon fontos alkotóelemei, amelyek nélkül gyakorlatilag nem létezhet. A kristályok hibáinak témája azonban mélyebb és átfogóbb vitát érdemel, mint amely ebben a cikkben lehetséges.