Kaikille kristalografian tai kiinteän olomuodon fysiikan alan asiantuntijoille on aivan selvää, että kiteen tapauksessa kyse on atomien tai ionien määrätystä järjestelystä avaruudessa. Joissakin tapauksissa, esimerkiksi jääkiteissä tai kiinteytyneissä kaasuissa, voidaan puhua molekyyleistä. Lyhyyden vuoksi puhumme edelleen vain atomeista, mukaan lukien ionisoidut (ionit), ellei jotain muuta määritetä.
Joten, kide on avaruudessa järjestetty atomien järjestelmä. Ne sijaitsevat oikealla tavalla ja useimmiten siten, että tila täytetään mahdollisimman tarkasti. Yrittämällä sijoittaa teräspalloja kuulalaakereista lähelle toisiaan, saamme melko kunnollisen mallin kiderakenteesta ja näemme nopeasti, että pallojen sijoittamistapojen lukumäärä on rajoitettu. Riippuen siitä, kuinka atomirivit ja atomitasot sijaitsevat suhteessa toisiinsa, voidaan saada erityyppisiä kiteitä. Atomien järjestelytyyppi puolestaan määräytyy niiden vuorovaikutuksen kanssa toistensa kanssa, hiukkasten välisen sidoksen luonteen kanssa.
Kiteiden huolellinen murtuminen johtaa epätavallisiin rakenteisiin, joilla on mielenkiintoisia ominaisuuksia. Ensin ilmestyvät suuret alueet, joilla on positiivinen tai negatiivinen pintavaraus, jolloin syntyy voimakas sähkökenttä, ja sitten ne muuttuvat labyrinteiksi, joiden leveys on vain muutama.
Ionisten kiteiden monet ominaisuudet johtuvat niiden rakenteesta atomitasolla: positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet atomit vetäytyvät toisiinsa ja muodostavat vahvan jaksollisen hilan. Kristallipinnalla olevat varaukset on kuitenkin kompensoitava. "Jos jaat kristallin kuutiomaisella hilalla tiettyihin suuntiin, voit saada vain yhden tyyppisiä panoksia", selittää yksi työn kirjoittajista Ulrich Diebold Wienin yliopistosta. "Tämä kokoonpano on erittäin epävakaa." Mahdollisesti tällainen kerros voisi luoda pienen näytteen kentän, jonka jännite on miljoonia volteja. Tutkijat kutsuvat tätä tilannetta "polarisaation katastrofiksi".
Uudessa tutkimuksessa fyysikot ovat yrittäneet ymmärtää kuinka atomit tarkkaan organisoidaan polarisaatiokatastrofin estämiseksi. "Pinta voi muuttua eri tavoin vasteena vikaan", sanoo ensimmäinen kirjailija Martin Setvin. "Elektronit voivat alkaa kertyä tietyissä paikoissa, kidehila voi vääristyä tai ilmasta tulevat molekyylit voivat tarttua pintaan muuttaen sen ominaisuuksia."
Tutkijat jakoivat kaliumtantalaatin KTaO3 kiteet alhaisissa lämpötiloissa ja saivat siruja, joissa puolet atomien kerroksesta samoilla varauksilla pysyi toisessa fragmentissa ja toinen toisessa. Alueet, joissa ionit olivat saman varauksen kanssa, muodostivat "saaria", vaikka pinta oli keskimäärin neutraali. "Saaret ovat kuitenkin riittävän suuria, joten polarisaatiota katastrofia ei voida täysin välttää - niiden luoma kenttä on niin suuri, että se muuttaa alla olevien kerrosten ominaisuuksia", Setvin sanoi.
Mainosvideo:
Lämpötilan noustessa hieman saaret hajosivat katkoviivojen labyrinttiin, ja sen "seinät" olivat vain yhden atomin korkeita ja 4-5 atomin leveitä.
"Labyrintin kaltaiset rakenteet eivät ole vain kauniita, vaan myös mahdollisesti hyödyllisiä", päätti Diebold. "Tämä on juuri sitä mitä tarvitset - voimakkaita sähkökenttiä atomimittakaavassa." Yhtenä mahdollisena sovellutuksena kirjoittajat vaativat sellaisten kemiallisten reaktioiden toteuttamista, joita ei tapahdu muissa olosuhteissa, esimerkiksi veden pilkkominen vedyn tuottamiseksi.
Kiteiden pääominaisuudet - anisotropia, homogeenisuus, kyky itse palaa ja vakio sulamispiste läsnäolossa määritetään niiden sisäisestä rakenteesta.
anisotropia
Tätä ominaisuutta kutsutaan myös ei-samanlaisuudeksi. Se ilmaistaan siinä, että kiteiden fysikaaliset ominaisuudet (kovuus, lujuus, lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus, valon etenemisnopeus) eivät ole samat eri suuntiin. Hiukkaset, jotka muodostavat kiderakenteen ei-rinnakkaisissa suunnissa, ovat etäisyyksillä toisistaan eri etäisyyksillä, minkä seurauksena kiteisen aineen ominaisuuksien tulisi olla erilaiset tällaisissa suunnissa. Kiille on tyypillinen esimerkki aineesta, jolla on voimakas anisotropia. Tämän mineraalin kiteiset levyt voidaan jakaa helposti vain tasoja pitkin sen levyn taajuuden kanssa. Kiillelevyjen poikkisuuntainen jakaminen on paljon vaikeampaa.
Anisotropia ilmenee myös siinä, että kun kide altistetaan mille tahansa liuottimelle, kemiallisten reaktioiden nopeus on erilainen eri suuntiin. Seurauksena on, että jokainen kide saa liukeneessaan ominaismuodonsa, joita kutsutaan syövyttämiskuvioiksi.
Amorfisille aineille on ominaista isotropia (ekvivalenssi) - fyysiset ominaisuudet kaikkiin suuntiin ilmenevät samalla tavalla.
tasaisuus
Se ilmaistaan tosiasiassa, että kiteisen aineen kaikki alkutilavuudet, jotka ovat suunnattu avaruuteen samalla tavoin, ovat kaikilta ominaisuuksiltaan täysin identtiset: niillä on sama väri, massa, kovuus jne. siten jokainen kide on homogeeninen, mutta samalla anisotrooppinen kappale.
Yhtenäisyys ei ole ainutlaatuinen kiteisissä kappaleissa. Kiinteät amorfiset muodostelmat voivat myös olla homogeenisia. Mutta amorfiset elimet eivät yksinään voi olla monimuotoisia.
Itserajoittava kyky
Kyky itse kasvot ilmenee siinä, että mikä tahansa fragmentti tai pallo, joka kääntyy kidestä sen kasvulle sopivassa väliaineessa, peittyy tietylle kidelle ominaisilla pinnoilla ajan myötä. Tämä ominaisuus liittyy kiderakenteeseen. Esimerkiksi lasipallolla ei ole tällaista ominaisuutta.
Saman aineen kiteet voivat erota toisistaan kooltaan, kasvojen lukumäärän, reunojensa ja kasvojen muodonsa mukaan. Se riippuu kiteen muodostumisen ehdoista. Epätasaisen kasvun myötä kiteet ovat litistyneitä, pitkänomaisia jne. Kasvavan kiteen vastaavien pintojen väliset kulmat pysyvät ennallaan. Tämä kiteiden ominaisuus tunnetaan pintakulmien vakiolakina. Tässä tapauksessa saman aineen eri kiteissä olevien pintojen koko ja muoto, niiden välinen etäisyys ja jopa niiden lukumäärä voivat vaihdella, mutta saman aineen kaikissa kiteissä olevien vastaavien pintojen väliset kulmat pysyvät vakiona samoissa paine- ja lämpötilaolosuhteissa.
Tanskalainen tiedemies Steno (1699) vahvisti 1700-luvun lopulla palkittujen kulmien lujuuslain rautakiillon ja kalliokiteiden kiteistä; myöhemmin M. V. Lomonosov (1749) ja ranskalainen tutkija Rome de Lille (1783). Sivukulmien vakiolakia kutsutaan ensimmäiseksi kristallografialakeeksi.
Pintakulmien vakiolaki selitetään sillä, että kaikki yhden aineen kiteet ovat sisäisessä rakenteessaan identtiset, ts. on sama rakenne.
Tämän lain mukaan tietyn aineen kiteille on ominaista niiden erityiset kulmat. Siksi mittaamalla kulmat on mahdollista todistaa tutkittavan kiteen kuuluminen yhteen tai toiseen aineeseen. Yksi kristallidiagnostiikkamenetelmistä perustuu tähän.
Kiteiden kaksijakoisten kulmien mittaamiseksi keksittiin erityisiä laitteita - goniometrejä.
Jatkuva sulamispiste
Se ilmaistaan tosiasiassa, että kun kiteistä kappaletta kuumennetaan, lämpötila nousee tiettyyn rajaan; lisäkuumennuksen aikana aine alkaa sulaa ja lämpötila pysyy jonkin aikaa vakiona, koska kaikki lämpö menee kidehilan tuhoamiseen. Lämpötilaa, jossa sulaminen alkaa, kutsutaan sulamispisteeksi.
Amorfisilla aineilla, toisin kuin kiteisillä, ei ole selvästi määriteltyä sulamispistettä. Kiteisten ja amorfisten aineiden jäähdytys- (tai kuumennus) käyrillä voidaan nähdä, että ensimmäisessä tapauksessa on olemassa kaksi terävää taipumista, jotka vastaavat kiteytymisen alkua ja loppua; amorfisen aineen jäähdytyksen tapauksessa meillä on sileä käyrä. Tämän perusteella on helppo erottaa kiteiset aineet amorfisista.
Kristallin lujuus
Kristallin lujuuden ongelma on ollut ja on edelleen yksi tärkeimmistä nykyteknologiassa. Tosiasia, että laajalti käytetyt rakennemateriaalit ovat pääosin raudan (teräksen), alumiinin (silumiini, duralumiini), kuparin (messinki, pronssi) ja joidenkin muiden metallien seoksia, ja niillä kaikilla on kiteinen rakenne. Metallien kohdalla käsittelemme harvoin sellaisia säännöllisiä ja kauniita kiteitä, joista on keskusteltu aiemmin. Metalliseoksilla on ns. Monikiteinen rakenne, ts. Ne koostuvat yksittäisistä rakeista - kiteistä, useita taitettuna toisiinsa nähden.
Askel askeleelta ihminen siirtyi vähemmän kestävästä materiaalista kestävämpään, mikä johti kaiken käytetyn tekniikan parantamiseen ja sen kykyjen laajentamiseen. Nyt vahvuustaisteluissa merkitystä on vain kiinnostukselle; käytännössä kaikki mahdollinen on puristettu teknisistä materiaaleista, ja jokainen seuraava vaihe annetaan yhä vaikeammin.
Kaksikymmentä vuotta sitten näytti siltä, että jos joku oppisi kasvattamaan suurikokoisia virheettömiä kiteitä, lujuusongelma olisi ratkaistu kokonaan ja metallin kulutus vähentyisi satoja kertoja. Valitettavasti nämä toiveet eivät toteutuneet. Täydellisen suuren kiteen kasvattaminen on joko erittäin kallista tai mahdotonta. Vain sellaisilla aloilla kuin elektroniikka sinulla on varaa siihen. Esimerkiksi Ge- ja Si-puolijohdekiteitä kasvatetaan käytännössä virheettöminä. Samat ovat laserien rubiinikiteet. Mitä tulee rakennemateriaaleihin, tässä on silti välttämätöntä saavuttaa korkeat lujuusarvot perinteistä polkua noudattaen.
Ja vielä yksi tärkeä johtopäätös. Osoittautuu, että monien kiteiden fysikaalisista ominaisuuksista, pääasiassa niiden lujuudesta, ei määrätä ihanteellinen kidehila, vaan poikkeamat ihanteellisuudesta - vikarakenne. Kristallin tällaisten vikojen taitava käyttö mahdollistaa sen ominaisuuksien hallinnan ja mukauttamisen modernin tekniikan erilaisiin vaatimuksiin. Fyysikolle tai insinöörille viat ovat erittäin tärkeä komponentti kristallissa, jota ilman se ei käytännössä voi olla olemassa. Mutta kiteiden virhe ansaitsee syvemmän ja kattavamman keskustelun kuin tässä artikkelissa on mahdollista.