Строение кристаллов

Человек находится в активном взаимодействии с окружающей его природой. Он преобразует её в соответствии со своими потребностями. Постепенно человек научился использовать природные вещества не только в их первоначальном виде, но и перестраивая их материальную структуру. Когда - то в поисках сущности вещей люди пытались объяснить многие явления действием сверхъестественных сил. Но теперь мы знаем, что в основе всех процессов и явлений на земле, как и во всей вселенной, лежат материальные причины, чем глубже мы проникаем в материю, чем лучше узнаём её строение и формы движения, тем более спадает покрывало таинственности. Человек постигает все формы организации материи – от простейшей (например, в виде химического соединения) до высокоорганизованной (в том числе познаёт самого себя).

Внешние формы природных тел – это то, что прежде всего бросается нам в глаза при знакомстве с окружающим миром. Существует ряд научных дисциплин, детально изучающих формы тех или иных природных образований. В них обращается преимущественное внимание на специфические и характерные черты изучаемых объектов, которые позволяют отличать эти объекты то иных представителей природы.

Качественно разные предметы иногда имеют одинаковые геометрические формы и, наоборот, однородные по качеству предметы могут обладать весьма разными геометрическими формами. Вместе с тем нельзя забывать и того, что кроме внутреннего строения в формировании природных тел принимает активное участие порождающая их среда, которая неизбежно накладывает свой характерный отпечаток на образующиеся в ней объекты.

Все окружающие нас природные тела находятся в поле земного тяготения и неминуемо несут на себе следы его влияния. Это относится как к органическому миру, так и к геологическим образованиям, камням и кристаллам. И камни, и животные и растения под влиянием силы всемирного тяготения приобретают внешние сходные черты. Эти черты характеризуются обобщающими законами симметрии, причём чаще всего они сводятся к двум наиболее постоянным типам.

Большой вклад в понимание материального единства мира внесла химическая наука, рассматривающая связь между строением веществ, их свойствами и взаимодействием, а также законы превращения веществ. Все организмы, как известно, представляют собой определённые структуры, и какими бы ни были эти структуры, все они, в конечном счёте – химические соединения. Кристаллические тела являются одой из разновидностей минералов. Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.

Семейство кристаллических тел состоит из двух групп — монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.

По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Одним из современных основных твердых конструкционных материалов является сталь. Много ли стали потребляет в год один человек? Если посмотреть вокруг себя, то сначала может показаться, что не так уж и много: вилка и нож , гвозди и шурупы, дверные ручки и замки. Но для полной оценки потребления необходимо вспомнить о велосипедах и автомашинах, о трубах водопровода и газопровода, рельс железных дорог и вагонах, станках на фабриках и заводах, о линиях электропередач и о многом - многом другом. Общая цифра, определяющая потребление стали в нашей стране на одного человека, оказывается довольно внушительной - примерно 0,5 т. в год. При таком уровне потребления человек за 70 лет жизни использует около 35 т. стали. Это количество стали примерно в 500 раз превышает массу самого человека!

Кристаллы возникают, как продукты жизнедеятельности организмов. В морской воде растворены различные соли. Многие морские животные строят свои раковины и скелеты из кристаллов углекислого кальция - арагонита. Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Кристаллы и живой организм представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В кристалле неизменными остаются не только атомы и молекулы, но также их взаимное расположение в пространстве. В живом организме не только не существуют сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но ни на одно мгновение не остаётся неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие сложные соединения синтезируются из простых. Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остаётся самим собой в течение десятков лет! Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно близкой его копией! Следовательно, в клетках любого живого или растения что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающими в них.

Такими носителями «программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В клетках человеческого организма одна такая молекула имеет несколько сантиметров. Молекулы укладываются внутри клеток. Молекулы ДНК также несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки. Диаметр ДНК 2*10-9 м. Такие молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твёрдого тела - одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристалл - это не только символ неживой природы. Но и основа жизни на Земле.

Структура жидких кристаллов - растворов имеет огромное значение для жизнедеятельности организма, например для циркуляции крови, переноса ею кислорода, функционирование клеток мозга, для работы разнообразных клеточных мембран. Дефекты структур мембраны приводят к заболеванию организма. Образование холестерических и тем более жидких смектических кристаллов в крови вызывает сердечно-сосудистые заболевание. При неблагоприятной концентрации различных компонентов в желчи образуются сначала не полностью твёрдые кристаллы, а затем и «камни».

Природные кристаллы всегда притягали людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все драгоценные природные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Одно из новых научно – технических направлений, сформировавшихся на наших глазах, - космическое материаловедение: получение новых веществ и материалов и улучшение их веществ в невесомости. Наибольший интерес с точки зрения рентабельности производства в космосе представляют те вещества и материалы, к которым предъявляются повышенные требования в отношении их структурного совершенства и однородности. Особое место среди них занимают монокристаллы полупроводников, получаемые обычно в наземных условиях кристаллизацией из расплавов в специальных высокотемпературных печах, после переплавка этих кристаллов осуществляется в условиях космоса.

Учеными обсуждалась ситуация кристаллизация звезд называемых белыми карликами. Теория эволюции звезд предсказывает, что когда белый карлик был молодым, в его недрах шли ядерные реакции, и он был довольно – таки горячим. После того как ядерные реакции кончились, температура в звезде могла быть еще около 107 К, при достаточно высоких температурах карлик мог и не быть кристаллическим. По мере его остывания должна пройти кристаллизация. В кристаллизующейся звезде внутренние области все время остаются горячее наружных, поэтому кристаллическая структура – «корка» - возникает сначала именно снаружи, а уже потом «прорастает» в глубь карлика. При кристаллизации выделяется энергия. Более 100 лет назад (1888 г.) ученые обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства поразительно похожи на свойства твердых кристаллов.

Много позже стала ясна физическая причина существования четвертого состояния вещества и его основное условие, которое заключается в том, что молекулы должны иметь не сферическую, а, например, вытянутую форму в одном направлении или заметно уплощенную. В этих случаях атомы в молекулах располагаются в основном либо вдоль определенной линии, либо в выделенной плоскости.

Несферичность молекулы можно характеризовать вектором единичной длиные, который либо параллелен оси молекулы, либо перпендикулярен ее плоскости. Жидким кристаллом называют жидкость, состоящую из таких молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии а друг от друга, но и имеют векторные, параллельные определенной оси L. Разумеется, ориентация молекул в такой анизотропной жидкости подчиняется этому порядку только при умеренной температуре, пока тепловые флуктуации не настолько сильны, чтобы разрушить данный ориентационный порядок. Сильное повышение температуры вызывает разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим, и жидкий кристалл превращается в обычную жидкость. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры, называются термотропными.

Всё чаще мы стали встречаться с термином “жидкие кристаллы”. Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с таким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

О симметрии

С явлением симметрии мы часто встречаемся в окружающей жизни. Если тело можно мысленно пересечь плоскостью так, что каждой точке а, тела с одной стороны плоскости, будет соответствовать точка b, лежащая по другую сторону плоскости, притом так, что прямая аb, соединяющая эти две точки, перпендикулярна плоскости и делится этой плоскостью пополам, то это тело обладает зеркальной симметрией. Сама плоскость называется в этом случае плоскостью симметрии. Кроме зеркальной симметрии, тела могут обладать ещё поворотной симметрией. Тело обладает поворотной симметрией, если при повороте на соответствующий угол все части фигуры совмещаются друг с другом. Ось, вокруг которой происходит вращение тела, называют осью симметрии. Смотря по тому, сколько раз совместится фигура сама с собой при полном обороте вокруг оси, ось симметрии имеет различный порядок (1, 2, 3 и т.д.).

Тела могут обладать ещё центром симметрии. Центр симметрии - точка в середине тела, относительно которой любая точка тела имеет другую соответствующую её точку, лежащую на таком же расстоянии от центра в противоположном направлении.

Пространственная решётка

Симметрия, закон постоянства углов и ряд других свойств кристаллов привели кристаллографов к догадке о закономерном расположении частиц, составляющих кристалл. Они стали представлять, что частицы в кристалле расположены так, что центры тяжести их образуют правильную пространственную решётку. Например, кристалл поваренной соли NaCl состоит из совокупности большого числа ионов Na+ и Cl- , определённым обзором расположенных друг относительно друга. Если изобразить каждый из ионов точкой и соединить их между собой, то можно получить геометрический образ, рисующий внутреннюю структуру идеального кристалла поверенной соли, его пространственную решётку (рис.2). Пространственные решётки различных кристаллов различны.

Понятие о пространственной решётке кристалла оказалось очень плодотворным, оно позволило объяснить ряд свойств кристалла. Например, что кристалл, имеющий идеальную форму, ограничен плоскими гранями и прямыми рёбрами. Этот факт можно объяснить тем, что плоскости и рёбра идеального кристалла всегда проходят через узлы пространственной решётки. Пространственная решётка позволяет объяснить и основной закон кристаллографии - закон постоянства углов.

Однако плодотворность представления внутреннего строения кристалла в виде пространственной решётки наиболее наглядно проявляется в объяснении симметрии кристаллов. Всё разнообразие видов симметрии кристаллов может быть доказано на основе симметрии пространственных решёток. Симметрия кристаллов является следствием симметрии пространственной решётки. Доказательство этого факта имело значения для науки. Работы Е.С. Федорова превратили кристаллографию в стройную теоретическую науку, возвысив её в конце XIX века. Над всеми науками о строении твёрдых тел.