Кристалл — структура и свойства¶

Кристалл — твёрдое тело, в котором атомы, ионы или молекулы упорядочены в трёхмерной периодической пространственной решётке. Слово происходит от греч. κρύσταλλος — «лёд, прозрачный камень». Кристаллам противопоставляются аморфные тела, у которых такой упорядоченности нет. Около 98 % всех твёрдых минералов в земной коре имеют кристаллическое строение.

¶Структура

Основа кристалла — пространственная решётка, бесконечное трёхмерное повторение структурного элемента (атома, иона, молекулы или их группы). Периодичность описывается элементарной ячейкой — наименьшим объёмом, повторяющимся при сдвиге вдоль трёх независимых направлений. Эти направления задают кристаллографические оси, а углы между ними — параметры ячейки.

По симметрии кристаллы делятся на семь кристаллографических систем:

Всего различают 230 пространственные группы симметрии, описывающие все возможные способы упаковки элементов решётки.

¶Виды кристаллов

По типу химической связи и характеру структурных элементов кристаллы разделяют на:

• Атомные — атомы связаны ковалентной связью (алмаз, кремний, графит).
• Ионные — узлы решётки занимают ионы (поваренная соль NaCl, плавиковый шпат CaF₂).
• Металлические — положительные ионы в «море» делокализованных электронов (медь, железо, алюминий).
• Молекулярные — молекулы связаны слабыми межмолекулярными силами (лёд, нафталин, сухой лёд).
• Гибридные — смешанный тип связи (графит, некоторые сульфиды).

¶Рост и образование

Кристаллы растут из пересыщенного раствора, расплава или газовой фазы. Процесс начинается с зародыша — сгустка атомов, достигшего критических размеров, после чего на его гранях последовательно закрепляются новые частицы. Скорость роста различна по граням, поэтому естественная форма кристалла (габитус) отличается от идеального огранённого многогранника.

Природные кристаллы образуются в магмах при остывании (кварц, полевые шпаты), в пустотах осадочных пород (геоды), в зонах гидротермальных жил, а также при метаморфизме. Скорость роста в природе может составлять от долей миллиметра в год до сантиметров в год в горячих растворах.

В лабораторных условиях выращивают кристаллы методами:

• Черенковым — на затравке из монокристалла того же вещества.
• Кибернетическим — с автоматическим поддержанием пересыщения.
• Зонной плавкой — последовательным перемещением расплавленной зоны (основной метод получения сверхчистого кремния для электроники).

¶Свойства

Для кристаллов характерна анизотропия — зависимость свойств от направления. Скорость распространения упругих волн, показатель преломления, электропроводность и другие параметры различаются вдоль разных кристаллографических осей. Исключение составляют кристаллы кубической системы, которые изотропны.

Другие характерные свойства:

• Спайность — tendency к раскалыванию по определённым плоскостям, обусловленная периодичностью решётки.
• Габитус — преобладание одних граней над другими при росте.
• Полиморфизм — способность одного вещества образовывать несколько кристаллических форм (алмаз и графит — полиморфные формы углерода; рутил, анатаз и брукит — формы TiO₂).
• Изоморфизм — взаимозамещение компонентов в решётке при сохранении типа структуры (магнезиальный известняк MgCO₃–CaCO₃).

¶Применение

Кристаллы и монокристаллические материалы используются в широком спектте областей:

• Электроника и оптоэлектроника — пластины монокристаллического кремния, арсенида галлия, карбида кремния для чипов, светодиодов, лазеров.
• Пьезотехника — кварцевые пластинки в часах, фильтрах, генераторах.
• Оптика — кристаллы фторида кальция, сапфира, кварца для линз, поляризаторов, окон лазеров.
• Ювелирное дело — алмаз, рубин, сапфир, изумруд.
• Медицина — кристаллы гидроксиапатита в костной ткани, синтетические кристаллы для детекторов в диагностике.

¶Кристаллизация в природе и технологии

Кристаллизация лежит в основе ряда промышленных процессов: выплавки стали, получения сахара, соледобычи. Обратный процесс — плавление — начинается при определённой температуре, причём для кристаллов она строго фиксирована (в отличие от аморфных тел, которые размягчаются постепенно).

Искусственное выращивание крупных монокристаллов — одно из ключевых направлений материаловедения. Крупнейшие выращенные кристаллы достигают десятков сантиметров в поперечнике (кремний для полупроводниковой промышленности, сапфир для окон и подложек).

Источники:

• Бокий Г. Б. Кристаллохимия. — М.: Наука.
• Шаскольская М. П. Кристаллография. — М.: Высшая школа.
• Гурьев И. Д. Кристаллография. — М.: Недра.
• Феодосьев В. И. Кристаллы и кристаллизация. — М.: Высшая школа.