Sasvim je jasno svim stručnjacima iz područja kristalografije ili fizike čvrstog stanja da se u slučaju kristala radi o uređenom rasporedu atoma ili iona u prostoru. U nekim slučajevima, na primjer u ledenim kristalima ili očvrslim plinovima, možemo govoriti o molekulama. Radi kraće riječi, nadalje ćemo govoriti samo o atomima, uključujući jonizirane (ione), osim ako nije navedeno nešto drugo.
Dakle, kristal je sustav atoma uređenih u prostoru. Smješteni su na ispravan način i najčešće tako da ispune prostor što je moguće bliže. Pokušavajući smjestiti čelične kuglice s kugličnog ležaja blizu jedna drugoj, dobivamo prilično pristojan model kristalne strukture i brzo vidimo da je broj načina na koje se kuglice mogu postaviti. Ovisno o tome kako su atomski redovi i atomske ravnine smješteni jedan prema drugom, mogu se dobiti različite vrste kristala. Zauzvrat, vrsta rasporeda atoma određena je njihovom interakcijom, prirodom veze između čestica.
Pažljivim razbijanjem kristala nastaju neobične strukture s zanimljivim svojstvima. Prvo se pojavljuju velika područja s pozitivnim ili negativnim površinskim nabojem, stvarajući snažno električno polje, a zatim se pretvaraju u labirinte širine samo nekoliko atoma.
Mnoga svojstva ionskih kristala nastaju zbog njihove strukture na atomskoj ljestvici: pozitivno i negativno nabijeni atomi privlače jedni druge i tvore jaku periodičnu rešetku. Međutim, naboji na površini kristala moraju se nadoknaditi. "Ako kristal razdijelite kubnom rešetkom uz određene smjerove, možete dobiti naboje samo jedne vrste", objašnjava jedan od autora djela Ulrich Diebold sa Sveučilišta u Beču. "Ova je konfiguracija izuzetno nestabilna." Potencijalno bi takav sloj mogao stvoriti polje s naponom od milijun volti na malenom uzorku. Znanstvenici ovu situaciju nazivaju "polarizacijskom katastrofom".
U novoj studiji fizičari su pokušali shvatiti kako se točno atomi reorganiziraju kako bi se spriječila polarizacijska katastrofa. "Površina se može promijeniti na različite načine kao odgovor na kvar", kaže prvi autor Martin Setvin. "Elektroni se mogu početi akumulirati na određenim mjestima, kristalna rešetka se može izobličiti ili se molekule iz zraka mogu lijepiti na površinu, mijenjajući svoja svojstva."
Znanstvenici su razdijelili kristale kalijevog tantalata KTaO3 na niskim temperaturama i dobili su čips u kojem je polovica atoma iz sloja s istim nabojem ostala na jednom fragmentu, a drugi na drugom. Regije s ionima istog naboja formirale su "otoke", iako je površina u prosjeku bila neutralna. "Ipak, otoci su dovoljno veliki, tako da se polarizacijska katastrofa ne može u potpunosti izbjeći - polje koje oni stvaraju je toliko veliko da mijenja svojstva temeljnih slojeva", rekao je Setvin.
Promotivni video:
S laganim porastom temperature, otoci su se raspadali u labirint isprekidanih linija, a njegovi "zidovi" bili su visoki samo jedan atom i široki 4-5 atoma.
"Strukture poput labirinta nisu samo lijepe, već su i potencijalno korisne", zaključio je Diebold. "To je upravo ono što vam treba - snažna električna polja u atomskoj skali." Kao jednu od mogućih primjena, autori nazivaju provođenje kemijskih reakcija koje se ne odvijaju pod drugim uvjetima, na primjer, cijepanjem vode radi dobivanja vodika.
Glavna svojstva kristala - anizotropija, homogenost, sposobnost samozapaljenja i prisutnost stalnog tališta određuju se njihovom unutarnjom strukturom.
anizotropija
Ovo se svojstvo naziva i sličnost. Izražava se u tome što fizička svojstva kristala (tvrdoća, čvrstoća, toplinska vodljivost, električna vodljivost, brzina širenja svjetlosti) nisu ista u različitim smjerovima. Čestice koje tvore kristalnu strukturu u paralelnim smjerovima udaljene su jedna od druge na različitim udaljenostima, zbog čega bi svojstva kristalne tvari u takvim smjerovima trebala biti različita. Mica je tipičan primjer tvari s izraženom anizotropijom. Kristalne ploče ovog minerala lako se dijele samo duž ravnina paralelnih s njegovom učestalošću. Mnogo je teže podijeliti ploče s sljubnicom u poprečnim smjerovima.
Anizotropija se također očituje u činjenici da kada je kristal izložen bilo kojem otapalu, brzina kemijskih reakcija različita je u različitim smjerovima. Kao rezultat, svaki kristal, nakon otapanja, dobiva svoje karakteristične oblike, koje nazivamo jetkanim figurama.
Amorfne tvari karakteriziraju izotropija (ekvivalentnost) - fizička svojstva u svim smjerovima očituju se na isti način.
ravnomjernost
Izražava se u tome što su svaki elementarni volumen kristalne tvari, jednako orijentiran u prostoru, apsolutno identičan u svim svojim svojstvima: imaju istu boju, masu, tvrdoću itd. stoga je svaki kristal homogeno, ali istovremeno i anizotropno tijelo.
Uniformnost nije jedinstvena za kristalna tijela. Čvrste amorfne formacije također mogu biti homogene. Ali amorfna tijela sama po sebi ne mogu poprimiti višestruki oblik.
Samoograničavajući sposobnost
Sposobnost samostalnog suočavanja izražava se u tome što se svaki fragment ili lopta okrenuta od kristala u mediju prikladnom za njegov rast vremenom prekriju lica karakteristična za određeni kristal. Ova značajka povezana je s kristalnom strukturom. Staklena kugla, na primjer, nema takvo svojstvo.
Kristali iste tvari mogu se međusobno razlikovati u veličini, broju lica, rubova i obliku lica. Ovisi o uvjetima za nastanak kristala. S neujednačenim rastom, kristali su spljošteni, izduženi itd. Kutovi između odgovarajućih lica rastućeg kristala ostaju nepromijenjeni. Ovo svojstvo kristala poznato je kao zakon konstantnosti kutova fasete. U ovom slučaju, veličina i oblik lica različitih kristala iste tvari, udaljenost između njih, pa čak i njihov broj, mogu varirati, ali kutovi između odgovarajućih lica u svim kristalima iste tvari ostaju konstantni pod istim uvjetima tlaka i temperature.
Zakon konstante fasetiranih kutova uspostavio je krajem 17. stoljeća danski znanstvenik Steno (1699.) o kristalima željeznog sjaja i kristalnih stijena, a kasnije je taj zakon potvrdio M. V. Lomonosov (1749) i francuski znanstvenik Rome de Lille (1783). Zakon konstantnosti fasetnih kutova naziva se prvim zakonom kristalografije.
Zakon konstantnosti fasetnih kutova objašnjava se činjenicom da su svi kristali jedne tvari identični u svojoj unutarnjoj strukturi, tj. imaju istu strukturu.
Prema ovom zakonu, kristali određene tvari karakteriziraju svoje specifične kutove. Stoga je mjerenjem kutova moguće dokazati pripadnost ispitivanog kristala određenoj tvari. Na tome se temelji jedna od metoda kristalne dijagnostike.
Za mjerenje dvostranih uglova kristala izumljeni su posebni uređaji - goniometri.
Stalno talište
Izražava se u činjenici da kada se kristalno tijelo zagrijava, temperatura raste do određene granice; daljnjim zagrijavanjem tvar se počinje topiti, a temperatura ostaje neko vrijeme konstantna, jer sva toplina odlazi u uništavanje kristalne rešetke. Temperatura na kojoj započinje topljenje naziva se talište.
Amorfne tvari, za razliku od kristalnih, nemaju jasno definiranu talište. Na rashladnim (ili zagrijavajućim) krivuljama kristalnih i amorfnih tvari može se vidjeti da u prvom slučaju postoje dva oštra pregiba koja odgovaraju početku i kraju kristalizacije; u slučaju hlađenja amorfne tvari imamo glatku krivulju. Na temelju toga je lako razlikovati kristalne tvari od amorfnih.
Kristalna čvrstoća
Problem čvrstoće kristala bio je i ostaje jedan od najvažnijih u modernoj tehnologiji. Činjenica je da su široko korišteni građevinski materijali uglavnom legure željeza (čelika), aluminija (silumin, duralumin), bakra (mjed, bronca) i nekih drugih metala, a svi oni imaju kristalnu strukturu. U slučaju metala, rijetko imamo posla s tako pravilnim i lijepim kristalima, o kojima smo ranije govorili. Metalne legure imaju takozvanu polikristalnu strukturu, to jest, sastoje se od pojedinačnih zrnaca - kristala, koji se pomalo razaraju jedan prema drugome.
Korak po korak, osoba je prešla iz manje izdržljivog materijala na trajniji, što je dovelo do poboljšanja svih korištenih tehnologija i proširenja njegovih mogućnosti. Sada se u borbi za snagu računa samo na zanimanje; praktički sve što je moguće istisnuto je iz tehničkih materijala, a svaki se sljedeći korak daje sa sve većim poteškoćama.
Prije dvadeset godina činilo se da ako netko nauči uzgajati kristale bez oštećenja velike veličine, tada bi problem čvrstoće bio potpuno riješen, a potrošnja metala smanjila bi se za stotine. Nažalost, ove nade nisu se obistinile. Uzgajati savršeni veliki kristal ili je vrlo skupo ili nemoguće. Samo u područjima poput elektronike to možete priuštiti. Na primjer, Ge i Si poluvodički kristali uzgajaju se praktično bez oštećenja. Isti su rubin kristali za lasere. Što se tiče građevinskih materijala, ovdje je još uvijek potrebno postići visoke vrijednosti čvrstoće, slijedeći tradicionalni put.
I još jedan važan zaključak. Ispada da su mnoga fizička svojstva kristala, prvenstveno njihova snaga, određena ne idealnom kristalnom rešetkom, već odstupanjima od idealnosti - defektnom strukturom. Vještina korištenja takvih oštećenja kristala omogućuje kontroliranje njegovih svojstava i prilagođavanje ih različitim zahtjevima moderne tehnologije. Za fizičara ili inženjera, oštećenja su vrlo važna komponenta kristala, bez koje on praktički ne može postojati. Ali tema oštećenja kristala zaslužuje dublju i sveobuhvatniju raspravu nego što je moguće u ovom članku.