Кристаллы и их свойства¶

Кристалл — твёрдое тело, атомы, ионы или молекулы которого расположены в пространстве упорядоченно, образуя периодически повторяющуюся трёхмерную решётку. Такое дальнее упорядочение отличает кристаллы от аморфных тел (стекла, смолы), где порядок сохраняется лишь на малых расстояниях. Правильное периодическое строение проявляется во внешней огранке: кристаллы естественного происхождения часто имеют плоские грани, пересекающиеся под определёнными углами.

¶Основные характеристики

Кристаллическое состояние — одно из трёх основных агрегатных состояний твёрдого вещества наряду с аморфным. Ключевые признаки:

• Дальний порядок — строгая повторяемость расположения частиц на расстояниях, многократно превышающих межатомные.
• Анизотропия — зависимость физических свойств (прочности, теплопроводности, оптических характеристик) от направления внутри кристалла.
• Температура плавления — для чистого кристаллического вещества строго определённая, тогда как аморфные тела размягчаются в интервале температур.
• Симметрия — закономерная повторяемость элементов структуры, описываемая точечными и пространственными группами симметрии.

¶Кристаллическая решётка

Пространственное расположение частиц описывают через кристаллическую решётку — воображаемую сетку, в узлах которой находятся атомы, ионы или молекулы. Минимальный повторяющийся фрагмент решётки называют элементарной ячейкой. По геометрии ячейки выделяют семь основных сингоний (систем): кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую, моноклинную и триклинную.

По типу частиц и характеру связи различают четыре основных типа решёток:

Тип решётки определяет многие макроскопические свойства: ионные кристаллы тугоплавки и хрупки, атомные обладают высокой твёрдостью, металлические пластичны и хорошо проводят ток, молекулярные легкоплавки.

¶Классификация

¶По происхождению

• Природные (минералы) — образуются в недрах Земли при медленном остывании расплавов и растворов. Крупнейшие месторождения кварца, полевого шпата, слюды слагают значительную часть земной коры.
• Искусственные — выращиваются в лабораториях и промышленности для техники и ювелирного дела.

¶По размеру и форме

• Монокристалл — тело с единой непрерывной решёткой по всему объёму (пример — природный кварц, искусственный сапфир).
• Поликристалл — множество мелких сросшихся кристаллитов; так устроены почти все металлы и горные породы.
• Жидкие кристаллы — промежуточное состояние, сочетающее текучесть жидкости с упорядоченностью, характерной для кристаллов.

¶Образование и рост

Кристаллы возникают при переходе вещества из менее упорядоченного состояния: из расплава, раствора, пара или при перекристаллизации твёрдой фазы. Движущая сила — стремление системы к минимуму свободной энергии. Рост зависит от температуры, концентрации, скорости охлаждения и наличия примесей. Медленное охлаждение и постоянные условия дают крупные правильные кристаллы; быстрая кристаллизация приводит к мелким зёрнам.

Существует понятие затравки — небольшого кристалла, вносимого в пересыщенный раствор или расплав для инициирования роста. Этот метод лежит в основе промышленного выращивания монокристаллов кремния, сапфира, кварца.

¶Симметрия и формы

Симметрию кристаллов изучает кристаллография. В 1867 году русский учёный Евграф Фёдоров теоретически вывел 230 пространственных групп симметрии — полный набор возможных типов кристаллических решёток; позже это подтвердилось рентгеноструктурным анализом. Внешние формы кристаллов описывают через 32 класса (точечные группы) симметрии. Метод рентгеноструктурного анализа, разработанный в начале XX века, позволил напрямую определять расположение атомов и стал основой современной кристаллографии и структурной биологии.

¶Применение

Кристаллы имеют фундаментальное значение для техники и науки:

• Электроника — монокристаллический кремний и германий служат основой полупроводниковых приборов, микросхем, солнечных элементов.
• Оптика — кварц, кальцит, искусственный сапфир применяются в линзах, призмах, лазерах.
• Ювелирное дело — алмаз, рубин, изумруд, сапфир ценятся как драгоценные камни; значительная часть ювелирных камней сегодня синтезируется.
• Металлургия — управление кристаллической структурой сплавов определяет их прочность и пластичность.
• Медицина и биология — кристаллы солей в почках и суставах связаны с заболеваниями; кристаллография белков лежит в основе разработки лекарств.
• Пищевая и химическая промышленность — кристаллизация применяется при получении сахара, соли, удобрений.

¶Интересные факты

• Алмаз и графит состоят из одного элемента — углерода, но различаются типом решётки, что объясняет разницу в твёрдости и электропроводности.
• Крупнейший из найденных природных кристаллов — минерал сподумен длиной около 12 метров, обнаруженный в США.
• Лёд — тоже кристаллическое вещество; снежинки обязаны своей шестилучевой симметрией гексагональной решётке.
• Жидкокристаллические экраны используют упорядоченность молекул для управления поляризацией света.

¶Источники

• Фёдоров Е. С. «Курс кристаллографии».
• Шаскольская М. П. «Кристаллография».
• Китайгородский А. И. «Рентгеноструктурный анализ».
• Материалы по общей физике и минералогии.