Кристаллы завораживали людей на протяжении тысяч лет. Древние цивилизации использовали кристаллы из-за их красоты и мистических свойств. Сегодня кристаллы по-прежнему ценятся в декоративных и духовных целях. Но что такое кристаллы и как они образуются?
Кристаллы — это твердые материалы, атомы, молекулы или ионы которых расположены в упорядоченном повторяющемся узоре, простирающемся во всех трех пространственных измерениях. Слово «кристалл» происходит от греческого слова krustallos, что означает «лед», поскольку считалось, что кристаллы представляют собой затвердевшие формы воды. Самое раннее известное понимание кристаллов датируется более 2500 лет назад греческими философами, такими как Демокрит, которые предположили, что материя состоит из крошечных неделимых единиц, называемых атомами.
Уникальные визуальные геометрические формы, которые демонстрируют кристаллы, возникают из точной, повторяющейся внутренней структуры кристаллов. Форма кристалла определяется его атомной структурой и может принимать различные формы, такие как кубы, призмы, пирамиды, ромбоэдры, клиновидные формы и многие другие. Поверхности кристалла представляют собой плоские грани, на которых обнажается внутренняя атомная структура кристалла. Кристаллы продолжают очаровывать нас и сегодня благодаря своей визуальной симметрии, структурам, цветам, свойствам и метафизическим значениям.
Кристаллы образуются, когда жидкие или газообразные материалы переходят в твердое состояние. Когда атомы, молекулы или ионы получают достаточно кинетической энергии, чтобы вырваться из жидкости или газа, они выстраиваются в организованный и повторяющийся трехмерный узор, характерный для кристаллического твердого тела. Этот процесс формирования упорядоченной внутренней структуры из менее упорядоченного состояния известен как кристаллизация.
В природе существует два основных способа кристаллизации:
1. Осаждение из раствора
Это происходит, когда растворитель испаряется, понижается температура или становится перенасыщенным. Когда растворенный материал выходит из раствора, атомы/молекулы начинают связываться вместе структурированным образом и кристаллизуются. Примерами являются образование кристаллов соли при испарении морской воды и кристаллов снежинок при замерзании водяного пара в атмосфере.
2. Затвердевание из расплава
Это происходит, когда материалы охлаждаются из жидкого расплава в твердое состояние. Высокотемпературный расплав состоит из хаотично расположенных атомов/молекул с большой свободой движения. По мере охлаждения атомы/молекулы теряют кинетическую энергию и начинают организовываться в упорядоченный повторяющийся трехмерный узор, прочно связанный вместе — отличительная черта кристаллического твердого тела. Примерами являются магматические породы, образовавшиеся из остывающей магмы, и металлы, выкованные в кристаллические сплавы.
Скорость охлаждения существенно влияет на размер и совершенство образующихся кристаллов. Очень медленное охлаждение позволяет вырастить крупные, хорошо сформированные кристаллы. Более быстрое охлаждение приводит к меньшему размеру кристаллов и большему количеству дефектов в повторяющемся структурном узоре.
Структура кристалла относится к упорядоченному геометрическому пространственному расположению атомов, молекул или ионов, которые составляют кристалл. Существует семь кристаллических систем, в которые могут кристаллизоваться кристаллы на основе симметрии и размеров атомной структуры:
| Кристаллическая система | Операция симметрии |
|---|---|
| Кубическая | 4 тройные оси вращения |
| Тетрагональная | 1 четверная ось вращения |
| Орторомбическая | 3 двойные оси вращения |
| Моноклинная | 1 двойная ось вращения |
| Триклинная | Нет осей вращения |
| Тригональная | 1 тройная ось вращения |
| Гексагональная | 1 шестеричная ось вращения |
Внутри этих систем существуют различные конфигурации решеток и конфигурации элементарных ячеек узорчатой атомной компоновки. Например, распространенные кристаллические структуры, встречающиеся в металлах:
| Кристаллическая структура | Металлы |
|---|---|
| Объемноцентрированная кубическая | Железо, хром, натрий |
| Гранецентрированная кубическая | Алюминий, медь, серебро |
| Гексагональная плотноупакованная | Магний, кобальт, цинк |
Кристаллическая структура напрямую влияет на физические свойства материала, такие как плотность, твердость, проводимость, прозрачность и многое другое. Инженеры используют знания о том, как расположение атомов влияет на свойства материалов, чтобы проектировать кристаллические материалы, оптимизированные для желаемых применений.
Существует несколько основных типов кристаллов:
Ионные кристаллы
Ионные кристаллы состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, расположенных в упорядоченной решетке, удерживаемой вместе электростатическими силами. Кристаллическая структура максимизирует притяжение противоположных зарядов и минимизирует отталкивание одноименных зарядов. Примерами являются хлорид натрия (поваренная соль) и оксид магния.
Ковалентные сетчатые кристаллы
Эти кристаллы содержат атомы, удерживаемые вместе в периодической решетке ковалентными связями. Ковалентная связь приводит к прочным взаимосвязям, простирающимся в трех измерениях, что приводит к высокой твердости. Алмаз и кварц являются типичными примерами.
Металлические кристаллы
Металлы содержат кристаллические структуры катионов металлов, окруженных «морем» делокализованных валентных электронов. Подвижные электроны позволяют металлам легко проводить электричество и тепло. Металлические кристаллы пластичны и ковки.
Молекулярные кристаллы
Молекулярные кристаллы образуют решетки, удерживаемые вместе относительно слабыми межмолекулярными силами, такими как водородные связи, диполь-дипольное притяжение и силы лондоновской дисперсии. Небольшие молекулы сохраняют свою идентичность и молекулярную форму при кристаллизации. Примерами являются водяной лед, столовый сахар и йод.
Полимерные кристаллы
Полимеры представляют собой большие молекулы, состоящие из повторяющихся субъединиц. Полимерные кристаллы образуют упорядоченные области, где полимерные цепи выровнены, но также содержат неупорядоченные аморфные области. Частичная кристалличность допускает пластическую деформацию полимеров. Обычными примерами являются полиэтилен, полипропилен и нейлон.
Кристаллы сплавов
Сплавы представляют собой кристаллические твердые растворы, состоящие из двух или более элементов, смешанных на атомном уровне. Сплавы замещения образуются путем замены некоторых атомов атомами другого элемента в кристаллической решетке. Внедренные сплавы включают в себя вставку атомов одного элемента в междоузлия в кристаллической решетке другого элемента.
Композитные кристаллы
Композитные кристаллы содержат две или более отдельных кристаллических фаз, распределенных в твердом теле для улучшения свойств. Различные кристаллические фазы остаются отдельными и различными внутри материала. Примерами являются бетон (каменные агрегаты, окруженные кристаллами цемента) и сталь (кристаллы карбида железа, диспергированные в кристаллах железа).
Идеальная кристаллическая структура, описанная выше, редко существует в реальных кристаллических материалах. Реальные кристаллы содержат дефекты, которые нарушают идеальный порядок атомов, молекул или ионов. Точечные дефекты включают отклонения в идеальной периодичности в одном узле решетки. К распространенным типам относятся:
Вакансионные дефекты — Отсутствующие атомы или ионы в кристаллической структуре.
Интерстициальные дефекты — Дополнительные атомы или ионы, втиснутые в междоузлия между регулярными позициями решетки.
Примесные дефекты — Узлы решетки, занятые инородными или примесными атомами.
Существуют также линейные дефекты, такие как дислокации, где регулярный рисунок нарушается в двумерном срезе кристалла. Плоские дефекты — это разрывы, распределенные по плоскости узлов решетки. Объемные дефекты, такие как трещины, распространяются через трехмерную кристаллическую структуру.
Дефекты влияют на свойства материала. Контролируемое введение дефектов может точно настроить электропроводность кристалла, оптическую передачу, механическую прочность и другие свойства. Слишком много дефектов приводит к аморфному беспорядку и потере полезных кристаллических свойств.
Габитус кристалла относится к его общей внешней форме, возникающей в результате роста в типичных условиях. Габитус зависит от кристаллической структуры, энергии связей, кинетики роста и молекулярного расположения на разных гранях кристалла. Похожие минералы могут демонстрировать различные габитусы, основанные на небольших различиях в условиях.
Некоторые общие габитусы включают кубические, призматические, ромбоэдрические, игольчатые, лопастные и дендритные. Например, кристаллы пирита часто образуют кубы, в то время как кварц обычно имеет призматическую габитус. Слюда имеет тенденцию расти в плоских гексагональных листах. Такие металлы, как золото, принимают кубические, октаэдрические и додекаэдрические габитусы. Привычка помогает идентифицировать кристаллические образцы.
Кристаллы также развивают характерные формы, ограниченные гладкими плоскими гранями. Грани возникают там, где обнажается внутренняя кристаллическая структура. Формы демонстрируют геометрические фигуры, связанные с базовой симметрией. Грани, параллельные осям симметрии, обычны, поскольку атомные связи однородны в этих направлениях.
Кристаллизация является фундаментальным процессом, происходящим во всей природе. Около 4000 различных кристаллических минералов возникают в результате геологических процессов. Давление, температура и химические условия в коре и мантии управляют кристаллизацией. Основные механизмы естественного образования включают:
Магматическая кристаллизация — кристаллы растут по мере охлаждения и затвердевания магмы или лавы. Магматические породы, такие как гранит и базальт, содержат взаимосвязанные минеральные кристаллы, образованные таким образом.
Гидротермальные процессы — Горячие водные растворы растворяют и перекристаллизовывают минералы в трещинах и поровых пространствах пород. Новые кристаллы вырастают в пустотах и жеодах.
Метаморфизм — Существующие минералы трансформируются в различные кристаллические фазы под воздействием тепла и давления. Например, графит превращается в алмаз.
Осаждение — Минералы кристаллизуются, когда насыщенные растворы изменяют температуру, давление или химический состав. Соляные равнины и известняковые пещеры демонстрируют такие кристаллы.
Выветривание и эрозия — Породы разрушаются, обнажая свои кристаллические компоненты. Переворачивание полирует кристаллы в речных породах.
Медленные геологические процессы обеспечивают хорошо сформированный, ненарушенный рост кристаллов, недостижимый в лабораторных условиях. Идеальные природные кристаллы поражают своей ясностью, формой, размером и эстетикой.
Свет взаимодействует с кристаллическими материалами уникальным образом из-за их периодической атомной структуры и электронных конфигураций. Некоторые оптические эффекты включают:
Преломление — свет меняет направление и изгибается на границах кристаллов. Преломление приводит к появлению двойных изображений, видимых через некоторые кристаллы.
Двойное лучепреломление — кристаллы разделяют свет на два поляризованных лучевых компонента, движущихся с разной скоростью. Это создает двойное лучепреломление.
Плеохроизм — светопропускание изменяется в зависимости от направления поляризации, что приводит к видимым изменениям цвета при вращении кристаллов.
Дисперсия — показатель преломления кристалла зависит от длины волны. Белый свет разделяется на спектральные цвета. Некоторые кристаллы демонстрируют огонь, если их правильно огранить.
Колебания решетки — Фотоны могут поглощаться, возбуждая колебательные моды в кристаллической решетке. Это позволяет работать лазеру.
Электронные переходы — Кристаллы, содержащие ионы переходных металлов или дефекты, демонстрируют яркие цвета, когда электроны смещают уровни энергии после поглощения определенных длин волн.
Фотолюминесценция — Поглощенное излучение может испускаться в виде видимого света. Флуоресценция в кристаллах, применяемых в датчиках и лазерах.
Иризация — Тонкие слои кристаллов создают интерференцию отраженных световых волн, создавая радужные цвета. Опалы демонстрируют такую иризацию.
Точечные дефекты в решетке кристалла, такие как примеси или вакансии, оказывают значительное влияние на его оптические характеристики поглощения. Примеси переходных металлов вводят уровни энергии электронов в запрещенную зону, которые позволяют поглощать фотоны и испускать свет в видимом спектре. Это приводит к появлению окраски, зависящей от вида и концентрации примесей. Вот несколько примеров:
| Кристалл | Примесь | Цвет |
|---|---|---|
| Корунд | Хром | Красный рубин |
| Берилл | Железо | Аквамарин сине-зеленый |
| Кварц | Марганец | Аметистовый фиолетовый |
| Флюорит | Иттрий | Темно-синий |
Другие дефекты, такие как вакансии кислорода в оксиды также позволяют центрам окраски поглощать и излучать свет. Облучение может создавать дефекты, изменяющие цвет кристаллов. Отжиг устраняет дефекты и изменяет оттенок. Наука о дефектах делает возможным создание искусственных драгоценных камней, таких как голубой топаз.
Биологические организмы производят кристаллы для различных функций. Вот некоторые примеры:
Кости и зубы — Кристаллы апатита обеспечивают жесткость и прочность.
Экзоскелеты — Кристаллы кальцита и арагонита защищают организмы.
Магнитосенсорность — Биогенные кристаллы магнетита помогают в навигации.
Отражатели — Кристаллы гуанина отражают свет в чешуе рыб.
Ощущение гравитации — Кристаллы сульфата кальция во внутреннем ухе определяют положение.
Хранение — Кристаллический воск, жир, белок и полисахариды хранят энергию.
Оптика — Кальцитовые линзы фокусируют свет в офиуре.
Защита — Иглы морского ежа имеют кончики из кристаллов кальцита.
Биоминерализация контролирует отложение кристаллических фаз с помощью сложных наномасштабных конструкций, архитектур и композитов, не имеющих себе равных в человеческой инженерии. Изучение биокристаллизации вдохновляет на создание биомиметических материалов.
Материаловедение опирается на связь кристаллической структуры со свойствами. Кристаллическая структура позволяет создавать такие материалы, как металлы, керамика и полупроводники. Основные области применения включают:
Металлургия — Кристаллические дефекты и границы зерен определяют прочность. Составы сплавов и термическая обработка оптимизируют кристаллы.
Полупроводники — Кристаллы кремния и германия позволяют создавать микроэлектронику. Легирование вводит примеси для управления проводимостью.
Оптика — Кристаллы-хозяева лазеров, такие как гранаты, оптические волокна, линзы и дисплеи, используют кристаллический порядок для управления светом.
Магниты — Кристаллы таких элементов, как железо, кобальт и никель, демонстрируют ферромагнетизм, используемый в двигателях и датчиках.
Сверхпроводники — Низкотемпературная сверхпроводимость зависит от кристаллической структуры. YBCO позволяет создавать мощные электромагниты.
Аккумуляторы — ионная диффузия через кристаллические катоды и аноды обеспечивает возможность перезарядки.
Структурная керамика — кристаллы циркония, оксида алюминия и карбида кремния обеспечивают твердость и прочность при высоких температурах.
Контроль кристаллизации имеет решающее значение во всех дисциплинах материаловедения. Дефекты, границы зерен, дислокации, кристаллографическая текстура, интерфейсы и границы фаз определяют конечную производительность.
Производство кристаллических материалов требует контроля над кристаллизацией с помощью таких методов, как:
Кристаллизация расплава — Медленное контролируемое охлаждение расплавов для содействия образованию монокристаллов с желаемым размером, ориентацией и чистотой.
Осаждение из паровой фазы — Рост кристаллических пленок путем осаждения газов, испарения и распыления.
Молекулярно-лучевая эпитаксия — Усовершенствованное осаждение из паровой фазы, позволяющее получать высокоточные кристаллические слои для электроники.
Гидротермальный синтез — Растворение и перекристаллизация при высокой температуре и давлении в водных условиях.
Золь-гель методы — Кристаллизация гелей, образованных из молекулярных прекурсоров через коллоидные промежуточные пути.
Зонная очистка — Прохождение нагревателя через слиток для удаления примесей с получением сверхчистых кристаллов.
Процесс Чохральского — Вытягивание монокристаллических булей из расплава путем контролируемого медленного подъема и вращения. Используется для кремниевых пластин.
Техника Бриджмена — перемещение тигля через градиент температуры для направления вектора кристаллизации.
Рост на пьедестале с лазерным нагревом — платформа охлаждается по краям для создания температурных градиентов, направляющих образование кристаллов.
Анализ структуры кристалла основан на методах дифракции, микроскопии и спектроскопии:
Рентгеновская дифракция — рентгеновские лучи создают дифракционную картину кристалла, выявляющую симметрию и атомные расстояния.
Дифракция электронов — электроны высокой энергии также генерируют дифракцию для определения структуры кристалла.
Нейтроны — дифракция нейтронов проясняет структуру кристалла и молекул путем взаимодействия с атомными ядрами.
Электронная микроскопия — Визуализация выявляет отдельные дефекты кристаллов и интерфейсы, необнаружимые оптически.
Атомно-силовая микроскопия — Измеряет поверхности кристаллов с нанометровым разрешением.
Рентгеновская спектроскопия — Выявляет локальные атомные координационные среды и связи в кристаллах.
ЯМР твердого тела — Методы ЯМР детализируют молекулярную структуру кристаллических материалов.
Усовершенствованные источники света, такие как синхротроны, ускоряют кристаллографический анализ. Компьютерное моделирование также помогает прогнозировать и моделировать свойства кристаллов.
Кристаллы сделали возможной революцию в электронике благодаря полупроводникам, лазерам и оптике.
Диоды — p