Sangat jelas bagi semua pakar dalam bidang kristalografi atau fizik keadaan pepejal bahawa dalam hal kristal kita berurusan dengan susunan atom atau ion yang tersusun di angkasa. Dalam beberapa kes, misalnya dalam kristal ais atau gas pepejal, kita boleh bercakap mengenai molekul. Untuk jangka masa pendek, kita akan bercakap hanya mengenai atom, termasuk ion (ion), kecuali ada perkara lain yang dinyatakan.
Jadi, kristal adalah sistem atom yang disusun di angkasa. Mereka terletak dengan cara yang betul dan paling kerap untuk memenuhi ruang sedekat mungkin. Dengan berusaha meletakkan bola keluli dari bebola yang saling berdekatan satu sama lain, kita mendapat model struktur kristal yang cukup baik dan dengan cepat menjadi yakin bahawa jumlah cara bola dapat diletakkan adalah terhad. Bergantung pada bagaimana baris atom dan satah atom terletak satu sama lain, pelbagai jenis kristal dapat diperoleh. Pada gilirannya, jenis susunan atom ditentukan oleh interaksi mereka antara satu sama lain, sifat ikatan antara zarah.
Pemecahan kristal dengan teliti menghasilkan struktur yang tidak biasa dengan sifat menarik. Pertama, kawasan besar dengan cas permukaan positif atau negatif muncul, mewujudkan medan elektrik yang kuat, dan kemudian mereka berubah menjadi labirin hanya selebihnya beberapa atom.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, - поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. - Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
Dalam satu kajian baru, ahli fizik telah berusaha memahami bagaimana sebenarnya atom disusun semula untuk mencegah bencana polarisasi. "Permukaan dapat berubah dengan cara yang berbeda sebagai tindak balas terhadap kesalahan," kata penulis pertama Martin Setvin. "Elektron dapat mulai terkumpul di tempat-tempat tertentu, kisi kristal dapat terdistorsi atau molekul dari udara dapat menempel ke permukaan, mengubah sifatnya."
Para saintis membelah kristal kalium tantalate KTaO3 pada suhu rendah dan memperoleh belahan di mana separuh atom dari lapisan dengan cas yang sama tetap berada pada satu serpihan, dan yang lain pada yang lain. Kawasan dengan ion dengan muatan yang sama membentuk "pulau", walaupun rata-rata permukaannya netral. "Walaupun begitu, pulau-pulau cukup besar, sehingga bencana polarisasi tidak dapat dielakkan sepenuhnya - bidang yang mereka buat begitu besar sehingga mengubah sifat lapisan yang mendasari," kata Setvin.
Video promosi:
Dengan sedikit kenaikan suhu, pulau-pulau itu hancur menjadi labirin garis patah, dan "temboknya" hanya satu atom tinggi dan lebar 4-5 atom.
"Struktur seperti labirin tidak hanya cantik tetapi juga berpotensi berguna," kata Diebold. "Inilah yang anda perlukan - medan elektrik yang kuat pada skala atom." Salah satu kemungkinan aplikasi, penulis memanggil melakukan tindak balas kimia yang tidak berlaku dalam keadaan lain, misalnya, pemisahan air untuk mendapatkan hidrogen.
Sifat utama kristal - anisotropi, homogenitas, keupayaan untuk pembakaran diri dan kehadiran titik lebur yang berterusan ditentukan oleh struktur dalamannya.
Anisotropi
Harta ini juga dipanggil tidak serupa. Hal ini dinyatakan dalam kenyataan bahawa sifat fizikal kristal (kekerasan, kekuatan, kekonduksian terma, kekonduksian elektrik, kelajuan penyebaran cahaya) tidak sama dalam arah yang berbeza. Zarah-zarah yang membentuk struktur kristal dalam arah yang tidak selari jarak antara satu sama lain pada jarak yang berbeza, akibatnya sifat zat kristal dalam arah sedemikian mestilah berbeza. Mica adalah contoh khas bahan dengan anisotropi yang jelas. Plat kristal mineral ini mudah terpecah hanya di sepanjang satah yang selari dengan frekuensi platnya. Jauh lebih sukar untuk memecahkan plat mika ke arah melintang.
Anisotropi juga ditunjukkan dalam kenyataan bahawa apabila kristal terkena pelarut, kadar tindak balas kimia berbeza dalam arah yang berbeza. Akibatnya, setiap kristal, setelah pembubaran, memperoleh bentuk ciri-cirinya, yang disebut angka etsa.
Bahan amorf dicirikan oleh isotropi (kesetaraan) - sifat fizikal ke semua arah ditunjukkan dengan cara yang sama.
Keseragaman
Hal ini dinyatakan dalam kenyataan bahawa setiap isi asas unsur kristal, sama berorientasi di angkasa, sama dengan semua sifatnya: ia mempunyai warna, jisim, kekerasan, dan lain-lain yang sama. oleh itu, setiap kristal adalah homogen, tetapi pada masa yang sama badan anisotropik.
Keseragaman tidak unik untuk badan kristal. Pembentukan amorf padat juga boleh menjadi homogen. Tetapi badan amorf tidak dapat dengan sendirinya mengambil bentuk pelbagai aspek.
Keupayaan mengehadkan diri
Keupayaan untuk menghadap diri dinyatakan dalam kenyataan bahawa setiap serpihan atau bola yang berubah dari kristal dalam media yang sesuai untuk pertumbuhannya ditutup dengan wajah ciri-ciri kristal tertentu dari masa ke masa. Ciri ini dikaitkan dengan struktur kristal. Bola kaca, misalnya, tidak mempunyai ciri seperti itu.
Kristal dari bahan yang sama boleh berbeza antara satu sama lain dalam ukurannya, jumlah wajah, tepi, dan bentuk wajah. Ia bergantung kepada syarat-syarat pembentukan kristal. Dengan pertumbuhan yang tidak rata, kristal diratakan, memanjang, dll. Sudut antara wajah sepadan dengan kristal yang tumbuh tidak berubah. Ciri kristal ini dikenali sebagai undang-undang keteguhan sudut faset. Dalam kes ini, ukuran dan bentuk wajah kristal yang berlainan dari bahan yang sama, jarak antara mereka dan bahkan bilangannya boleh berbeza-beza, tetapi sudut antara wajah yang sepadan dalam semua kristal bahan yang sama tetap tetap dalam keadaan tekanan dan suhu yang sama.
Hukum ketekunan sudut segi telah ditetapkan pada akhir abad ke-17 oleh saintis Denmark Steno (1699) mengenai kristal kilauan besi dan kristal batu; kemudian undang-undang ini disahkan oleh M. V. Lomonosov (1749) dan saintis Perancis Rome de Lille (1783). Hukum ketekunan sudut segi disebut hukum kristalografi pertama.
Hukum ketekunan sudut faset dijelaskan oleh fakta bahawa semua kristal satu bahan sama dalam struktur dalamannya, iaitu. mempunyai struktur yang sama.
Menurut undang-undang ini, kristal zat tertentu dicirikan oleh sudut spesifiknya. Oleh itu, dengan mengukur sudut, adalah mungkin untuk membuktikan kepunyaan kristal yang dikaji kepada satu atau bahan lain. Salah satu kaedah diagnostik kristal adalah berdasarkan ini.
Untuk mengukur sudut kristal dihedral, alat khas diciptakan - goniometers.
Titik lebur berterusan
Hal ini dinyatakan dalam kenyataan bahawa apabila badan kristal dipanaskan, suhu meningkat ke had tertentu; dengan pemanasan lebih lanjut, bahan itu mulai mencair, dan suhu tetap berterusan untuk beberapa waktu, kerana semua haba menuju kehancuran kisi kristal. Suhu di mana lebur bermula dipanggil titik lebur.
Bahan amorf, tidak seperti zat kristal, tidak mempunyai titik lebur yang jelas. Pada lekukan penyejukan (atau pemanasan) bahan kristal dan amorf, seseorang dapat melihat bahawa dalam kes pertama terdapat dua pesongan tajam yang sesuai dengan permulaan dan akhir penghabluran; dalam keadaan menyejukkan bahan amorf, kita mempunyai keluk yang lancar. Atas dasar ini, mudah untuk membezakan bahan kristal daripada zat amorf.
Kekuatan kristal
Masalah kekuatan kristal telah dan tetap menjadi salah satu yang paling penting dalam teknologi moden. Faktanya adalah bahawa bahan struktur yang banyak digunakan kebanyakannya adalah paduan besi (keluli), aluminium (silumin, duralumin), tembaga (tembaga, gangsa) dan beberapa logam lain, dan semuanya mempunyai struktur kristal. Bagi logam, kita jarang berhadapan dengan kristal biasa dan cantik seperti itu, yang telah dibincangkan sebelumnya. Aloi logam mempunyai struktur polikristalin yang disebut, iaitu, terdiri daripada bijirin individu - kristal, beberapa yang saling terkait antara satu sama lain.
Langkah demi langkah, seseorang berpindah dari bahan yang kurang tahan lama ke bahan yang lebih tahan lama, ini menyebabkan peningkatan semua teknologi yang digunakan dan pengembangan kemampuannya. Sekarang, dalam perjuangan untuk mendapatkan kekuatan, hanya minat yang dihitung; hampir semua perkara yang mungkin telah dikeluarkan dari bahan teknikal, dan setiap langkah berikutnya diberikan dengan kesukaran yang semakin meningkat.
Dua puluh tahun yang lalu, nampaknya jika seseorang belajar menumbuhkan kristal bebas cacat bersaiz besar, maka masalah kekuatan akan dapat diselesaikan sepenuhnya, dan penggunaan logam akan dikurangkan dengan faktor ratusan. Malangnya, harapan ini tidak menjadi kenyataan. Adalah sangat mahal atau mustahil untuk menumbuhkan kristal besar yang sempurna. Hanya di kawasan seperti elektronik anda boleh membelinya. Contohnya, kristal semikonduktor Ge dan Si ditanam secara praktikal tanpa kecacatan. Perkara yang sama adalah kristal ruby untuk laser. Bagi bahan struktur, di sini masih diperlukan untuk mencapai nilai kekuatan yang tinggi, mengikuti jalan tradisional.
Dan satu kesimpulan yang lebih penting. Ternyata banyak sifat fizikal kristal, terutama kekuatannya, ditentukan bukan oleh kisi kristal yang ideal, tetapi oleh penyimpangan dari idealisme - struktur kecacatan. Penggunaan kecacatan kristal yang terampil membolehkan seseorang mengawal sifatnya dan menyesuaikannya dengan pelbagai keperluan teknologi moden. Bagi ahli fizik atau jurutera, kecacatan adalah komponen kristal yang sangat penting, tanpanya praktikalnya tidak dapat wujud. Tetapi topik kecacatan kristal memerlukan perbincangan yang lebih mendalam dan lebih komprehensif daripada yang mungkin terdapat dalam artikel ini.