10 интересных фактов о кристаллографии

Сегодня мы познакомим читателей с 10 фактами энциклопедического характера, относящимся к одному из наиболее актуальных направлений физики – кристаллографии. Эти факты подготовлены Артёмом Огановым, профессором факультета астрономии и физики и факультета наук о Земле Университета штата Нью-Йорк. Искренне надеемся, что данный материал будет полезен и интересен как неспециалистам, так и для профессионалов.

1. Кристаллография представляет собой междисциплинарную науку о свойствах и атомном строении материалов, это – связывающее звено между химией, физикой, материаловедением, планетологией, геологией и биологией. Основатель кристаллографии - датчанин Нильс Стенсен, который первый в мире сформулировал закон постоянства углов между кристаллическими гранями, который и стал первым законом новой науки - кристаллографии. Стенсен на закате жизни стал епископом, был активным подвижником и причислен Католической Церковью к лику святых.

2. Большинство материалов, которые вы видите вокруг себя – это кристаллы. Кристалл - твердое тело, структура атома которого имеет свойства трансляционной периодичности. Кроме периодичности, достаточно часто кристаллы обладают и некоторыми другими элементами симметрии (плоскостными, осевыми, инверсионными). Число возможных кристаллических структур бесконечно велико, но условно их можно разделить на 230 группы симметрии, что впервые было сделано Е. С. Федоровым в 1890 г.

3. Структуру кристаллов сегодня изучают при помощи дифракции, поскольку интенсивность и пространственное положение дифрагированных лучей (электронных, нейтронных, рентгеновских, гамма-лучей) содержат практически полную информацию о расположении атомов в структуре вещества. Первые структуры были определены в 1913 г. У. Г. и У. Л. Брэггами, а явление дифракции на кристаллах рентгеновских лучей было открыто в 1912 г. фон Лауэ. Сейчас можно с достаточной степенью надежности предсказывать структуру кристаллов при помощи различных эволюционных алгоритмов. Методы кристаллографии применяются и для определения структуры биологических молекул (белков, ДНК и т.д.).

4. С помощью рентгеновской дифракции можно выяснить детали распределения плотности электронов в кристаллах и сделать анализ химических связей. Дифракция нейтронов информирует о спиновой плотности. Оба данных типа дифракции дают возможность получения информации о степени беспорядка и о тепловых смещениях атомов. Эти данные, в основном, отлично согласуются с квантово-механической теорией и результатами расчетов.

5. Кристаллическая структура и тип химической связи полностью определяются свойствами атомов - их размерами, поряризуемостью и электроотрицательностью. Эти свойства зависят от внешнего окружения группы атомов в кристалле и в достаточно большой степени являются условными. Существует несколько шкал электроотрицательностей и систем радиусов.

6. Кристалл - хотя и наиболее распространенная на планете, но всего лишь одна из известных форм, в котором может пребывать твердое вещество с дальним порядком. Науке известны также несоразмерные фазы (в которых имеется базовая периодическая структура, однако она возмущена периодической волной таким образом, что в итоговой структуре периодичности уже нет, либо же имеются две периодические подструктуры, у которых отношение периодов иррационально, что является причиной потери общей периодичности структуры), а также так называемые квазикристаллы.

7. Квазикристаллы - это особое состояние вещества, обладающего дальним порядком, но с отсутствием трансляционной периодичности. Это явление было открыто Д. Шехтманом в 1982 г. Некоторые элементы симметрии (оси пятого, седьмого и высших порядков) несовместимы в таком веществе с трехмерной периодичностью. Известны квазикристаллы, обладающие осями симметрии пятого, восьмого, десятого и двенадцатого порядков. Все известные сегодня квазикристаллы - супрамолекулярные агрегаты, сплавы либо агрегаты коллоидных частиц. На данный момент не известно ни одного квазикристалла ионного состояния.

8. Структура кристалла определяет большую часть его свойств. В отличие от жидкостей и стекол, кристаллы могут обладать некоторыми интересными свойствами (пьезоэлектрическими, сегнетоэлектрическими, двулучепреломлением), при этом их свойства могут зависеть от направления структуры кристалла. При изменении температуры и давления структура может изменяться (так называемый фазовый переход). Фазовые переходы разделяют на переходы первого рода (то есть скачкообразное изменение структуры и, соответственно, всех свойств вещества) и второго рода (плавно меняющаяся структура и некоторые свойства, а симметрия и другие свойства меняются скачкообразно). Фазовые переходы, которые имеют место в мантии Земли, достаточно хорошо объясняют регистрируемые сегодня сейсмологами резкие изменения свойств пород планеты с глубиной. В центре Земли давление составляет порядка 3.64 миллионов атмосфер.

9. Химия любого вещества под влиянием давления существенно меняется, и здесь многое понято сегодня не до конца. Например, простые металлы (K, Rb, Li, Na, Sr, Ba, Cs, Ca, Al) под значительным давлением образуют крайне сложные структуры, которые не могут быть объяснены до сих пор. Однако довольно неплохо поняты такие неординарные явления, как металлизация и переход серы и кислорода в сверхпроводящее состояние, или потеря натрием под давлением металличности.

10. Большое внимание практиков и исследователей привлекают фотонные кристаллы - метаматериалы, имеющие показатель преломления, который меняется с периодичностью, пропорциональной длине волны света. Фотонные кристаллы по своей природе обладают свойствами оптических фильтров. В качестве примера природного фотонного кристалла можно назвать опал, который состоит из расположенных периодически глобул аморфного кремнезема.

По материалам nanonewsnet.ru