Кристали – тверді тіла, що мають правильну геометричну форму. Структура, усередині якої розташовані впорядковані частинки, називається кристалічною решіткою. Точки розташування часток, в яких вони здійснюють коливання, називаються вузлами кристалічної решітки. Всі ці тіла поділяють на монокристали і полікристали.
Що таке монокристали
Монокристали – це поодинокі кристали, у яких кристалічна решітка має чіткий порядок. Часто монокристал мають правильну форму, але ця ознака не є обов’язковим при визначенні типу кристала. Більшість мінералів є монокристалами.
Зовнішня форма залежить від швидкості росту речовини. При повільному збільшенні і однорідності матеріалу, кристали мають правильну ограновування. При середній швидкості ограновування неяскраво виражена. При високій швидкості кристалізації виростають полікристали, що складаються з безлічі монокристалів.
Класичними прикладами монокристалів є алмаз, кварц, топаз. В електроніці особливе значення мають монокристали, що володіють властивостями напівпровідників і діелектриків. Сплави монокристалів відрізняються підвищеною твердістю. Надчисті монокристали мають однакові властивості незалежно від походження. Хімічний склад мінералів залежить від швидкості вирощування. Чим повільніше зростає кристал, тим досконаліше його складу.
Полікристали
Монокристали і полікристали характеризуються високим молекулярною взаємодією. Поликристалл складається з безлічі монокристалів і має неправильну форму. Іноді їх називають кристаллитами. Вони з’являються в результаті природного зростання або вирощуються штучним шляхом. Поликристаллами можуть бути сплави, метали, кераміка. Основні характеристики складаються з властивостей монокристалів, але при цьому велике значення мають розміри зерен, відстань між ними, границі зерен. При наявності кордонів, фізичні показники полікристалів значно змінюються, знижується міцність.
Полікристали породжуються в результаті кристалізації, зміни кристалічних порошків. Ці мінерали менш стабільні, ніж монокристали, що призводить до нерівномірного зростання окремих зерен.
Поліморфізм
Монокристали – це речовини, здатні існувати відразу в двох станах, які будуть відрізнятися за своїм фізичним властивостям. Така особливість одержала назву поліморфізм.
При цьому речовина в одному стані може бути стабільніше, ніж інша. При зміні умов навколишнього середовища ситуація може змінитися.
Поліморфізм буває наступних типів:
- Реконструкційний – розпад відбувається до атомів і молекул.
- Деформаційний – структура видозмінюється. Відбувається стиск або розтяг.
- Сдвиговый – деякі елементи структури змінюють своє місце розташування.
Властивості кристала можуть змінитися при різкій зміні складу. Класичним прикладом поліморфізму є модифікація вуглецю. В одному стані це алмаз, в іншому – графіт, речовини з різними властивостями.
Деякі форми вуглеводу при нагріванні перетворюються в графіт. Зміни властивостей можуть відбуватися без деформації кристалічної решітки. У випадку з залізом заміщення деяких компонентів призводить исчезанию магнітних властивостей.
Міцність кристалів
Будь-який матеріал, що застосовується в сучасній техніці, має підсумкову міцність. Найбільшою міцністю володіє сплав нікелю, хрому і заліза. Підвищення міцності металів дозволить вдосконалити військову і цивільну техніку. Збільшення зносостійкості призведе до більшого терміну служби. З цієї причини міцність монокристалів вчені давно вивчають.
Чисті монокристали – це кристали з ідеальної кристалічної гратами, містять незначну кількість дефектів. При зменшенні числа дефектів міцність металів збільшується в кілька разів. При цьому щільність металу залишається майже незмінною.
Монокристали з ідеальною ґратами стійкі до механічного впливу до температури плавлення. Не змінюються з часом. Найчастіше такі монокристали мають нульову дислокацію. Але це необов’язкова умова. Міцність пояснюється тим, що мікротріщини утворюються в місцях, де є найбільша кількість дислокацій. А при їх відсутності тріщин з’являтися ніде. Значить, монокристал прослужить до тих пір, поки не буде перевищено поріг його міцності.
Штучні монокристали
Вирощування монокристалів можливо при поточному рівні науки. При обробці металу, не змінюючи його складу, можна створити монокристал, який володіє високим запасом міцності.
Відомо 2 методу виробництва монокристалів:
- надвисокий тиск та лиття металу;
- кріогенне тиск.
Перший метод користується популярністю при обробці легких металів. За умови чистоти металу і збільшенні тиску поступово з’явиться новий метал, що володіє тими ж властивостями, але зі збільшеною міцністю. При дотриманні певних умов можна отримати монокристал з ідеальною ґратами. При наявності домішок існує ймовірність, що кристалічна решітка буде не ідеальна.
У важких металів при збільшенні тиску відбувається процес зміни структури. Монокристал ще не вийшов, а речовина змінило властивості.
В основі криогенного лиття лежить отримання кріогенних рідин. Під впливом магнітного поля не відбувається кристалізація. Полукристаллическая форма стає кристалом після електричного заряду.
Алмаз, кварц
Властивості алмаза засновані на тому, що це речовина з атомною кристалічною решіткою. Зв’язок між атомами обумовлює міцність алмазу. При незмінних умовах алмаз не змінюється. При попаданні в вакуум поступово перетворюється в графіт.
Розміри кристалів істотно розрізняються. Синтетично вирощені алмази мають грані куба і зовні відрізняються від побратимів. Властивості алмаза використовуються для різання скла.
Кристали кварцу зустрічаються повсюдно. Мінерал – один з найпоширеніших. Зазвичай безбарвний кварц. Якщо всередині каменю є безліч тріщин, то він білого кольору. При додаванні інших домішок він змінює колір.
Кристали кварцу використовуються при виробництві скла, для створення ультразвуку, електро-, радіо-, телеаппаратуре. Деякі різновиди застосовуються в ювелірній справі.
Структура монокристалів
Метали у твердому стані мають кристалічну будову. Структура монокристалів – це нескінченні ряди чергуються атомів. В реальності впорядкованість атомів може порушуватися з-за теплового впливу, механічного або по ряду інших причин.
Кристалічні решітки зустрічаються 3 видів:
- тип вольфраму;
- тип міді;
- тип магнію.
Застосування
Штучні монокристали – це можливість отримувати матеріал з новими властивостями. Зона застосування монокристалів дуже велика. Кварц і шпат створила природа, а фторид натрію вирощений штучним шляхом.
Монокристали – це матеріали, які застосовуються в оптиці та електроніці. Кварц і слюда використовуються в оптиці, але є дорогими. В штучних умовах можна виростити монокристал, який буде відрізнятися чистотою і міцністю.
Алмаз використовують там, де потрібна висока міцність. Але його успішно синтезують в штучних умовах. Тривимірні вирощують монокристали з розплавів.
