Кристаллические премудрости

С кристаллами простейшей прямоугольной формы мы сталкиваемся ежедневно: столь необходимая на кухне соль имеет, как известно, кубическую кристаллическую решетку. Да и сами соляные «крупинки», похожие на маленькие кубики, подсказывают такое строение решетки. Но столь прозаичны и «неинтересны» по внутренней и внешней форме далеко не все твердые тела. Напротив, разнообразие форм большинства кристаллических материалов удивительно, оно поражает своей причудливостью и зависит от силы притяжения между атомами, образующими твердое тело.

Кристаллы известны людям издавна.

 

 

Само же слово «krystallos» (греч.) первоначально обозначало обычный лед, а в дальнейшем — горный хрусталь. Для такой этимологии есть достаточные основания: человека всегда удивляла поразительная прозрачность некоторых природных минералов. Не случайно в их оценке мастера ювелирного дела до сих пор используют такой необычный термин, как «камень чистой воды».

Чаще всего его применяют к алмазу — самому дорогому и наиболее твердому камню, который к тому же сильно преломляет свет, то есть сверкает множеством огней в диадемах и колье. Уникальная твердость алмаза делает его незаменимым абразивным и бурильным материалом.

Известно, что газ занимает все отведенное ему пространство, жидкость принимает форму сосуда и лишь твердые тела сохраняют свой внешний вид, независимо от того, в какое место мы их поместим. Сила притяжения между атомами в твердом теле столь велика, что каждый из атомов, оказавшись изначально на «своем» месте, никуда уже не смещается.

«Сдвинуть» его можно лишь тогда, когда тело расплавится от высокой температуры или его попросту разорвут на части.

Большинство окружающих нас твердых тел бесформенно, и только рука человека придает им форму, необходимую для применения. Однако за внешней неорганизованностью твердых тел скрывается, как правило, четкое расположение ближайших атомов. Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру, и на микроуровне их атомы строго стоят на своих местах, образуя регулярную решетку. Микрокристаллы, из которых состоят металлы и их сплавы, видны только под микроскопом, а вот кристаллики соли и сахара можно наблюдать и невооруженным глазом. Еще более заметны кристаллы драгоценных камней, сверкающие всеми цветами радуги.

Итак, основное отличие кристаллической формы вещества от аморфной стеклоподобной состоит в наличии жесткой структуры во взаимном расположении атомов. Причем этот пространственный порядок сохраняется на огромных «по атомным масштабам» расстояниях. Атомы, находящиеся на противоположных гранях монокристалла, могут быть удалены на десятки сантиметров, и в то же время они, будто чувствуя друг друга, располагаются параллельно. При этом между ними находятся миллиарды других атомов, так же четко взаимно расположенных.

Очевидно, что далеко не всегда твердое тело может быть столь упорядоченно: нужны уникальные условия, чтобы вырос огромный монокристалл. Однако факт существования природных кристаллов кварца ростом с человека и искусственных кремниевых размером с ногу не может не удивлять.

Виртуозная кристаллография
Упорядоченное расположение атомов сочетается в кристаллах с анизотропией — различием оптических, электрических и механических свойств по разным направлениям. Атомы могут выстраиваться в достаточна причудливые структуры, напоминающие тетраэдры, параллелепипеды, икосаэдры и прочие геометрические фигуры. В науке о кристаллах — кристаллографии — в зависимости от симметрии расположения атомов выделяют 6 кристаллических групп, которые распадаются на 32 класса. В результате получается несколько сотен различных форм макроорганизации кристаллических тел. Причем на форму монокристалла влияет не только форма элементарной атомной ячейки, но и те условия, в которых происходит рост кристалла. В целом мир кристаллов удивительно разнообразен и красив, особенно если на него смотреть в поляризованном свете. Анизотропия оптических свойств приводит к вращению плоскости поляризации проходящего света, в результате чего даже самые тонкие кристаллические слои начинают сверкать всеми цветами радуги.

Кристаллизоваться могут не только простейшие неорганические соединения, но и сложные полимерные и белковые молекулы, а также вирусные частицы. Такого рода молекулярные и биологические кристаллы, конечно же, не отличаются красотой и прочностью «настоящих» твердых кристаллов, но в остальном — подобны им. Самоорганизация неживой материи бывает достаточно необычной и принимает не только форму строгих и ровных кубиков и пирамид, но и причудливых фрактальных структур, похожих на деревья или снежинки. На рисунке: так бы выглядела кристаллическая решетка кварца, если бы мы могли видеть атомы и химические связи. Кварц имеет элементарную ячейку, состоящую из 3 атомов кремния (красные шарики) и 6 атомов кислорода (желтые шарики). При этом каждый атом кремния соединен химическими связями (тонкие палочки) с 4 атомами кислорода, а каждый атом кислорода — с 2 атомами кремния.

Рукотворное чудо
Искусственные кристаллы пробовали выращивать еще в XVI веке, но научились этому делу только в середине XX столетия. Кристаллы соли, сахара и квасцов в счет, конечно, не идут, поскольку водорастворимые химические соединения умеют превращаться в причудливые горы и леса с незапамятных времен. Сегодня растят не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно. Электроника использует особо чистые кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение — искусственные алмаз, корунд, рубин, нитевидный углерод и кевлар.

Кентавры природы
Особый класс материалов составляют так называемые жидкие кристаллы. Эти уникальные вещества, сочетающие в себе подвижность жидкости и анизотропию твердого тела, по сути кристаллами не являются и выглядят, как обычная мутная жидкость, если их налить в стакан. Но в виде тонкого слоя, заключенного между двумя стеклянными пластинами с токопроводящим покрытием, они превращаются в тот самый ЖК-дисплей, без которого не обходятся сегодня ни сотовые телефоны, ни персональные компьютеры. Причем именно сочетание оптической анизотропии, свойственной твердым телам, с подвижностью молекул, присущей жидкости, делает ЖК-материалы излюбленным материалом полупроводниковой электроники. Напряжение в единицы вольт полностью видоизменяет ориентационный порядок удлиненных молекул жидкого кристалла, и нашему взгляду предстают четкие буквы и цифры или даже изящные алые розы, нарисованные на ЖК-дисплее электрическим полем и падающим светом. Свое название нематические («нема» по-гречески «нить») жидкие кристаллы (НЖК) получили из-за большого количества ярких нитей, видимых в поляризационный микроскоп. Эти так называемые дисклинации соответствуют тем линиям, где ориентация молекул НЖК резко изменяется.