Vsem strokovnjakom s področja kristalografije ali fizike trdnega stanja je povsem jasno, da se v primeru kristala ukvarjamo z urejeno razporeditvijo atomov ali ionov v vesolju. V nekaterih primerih, na primer v ledenih kristalih ali strjenih plinih, lahko govorimo o molekulah. Za kratkost bomo govorili le o atomih, vključno z ioniziranimi (ioni), razen če ni določeno kaj drugega.
Torej, kristal je sistem atomov, urejenih v vesolju. Nahajajo se na pravilen način in najpogosteje tako, da prostor čim bolj zapolnijo. S poskusom postavitve jeklenih kroglic s krogličnega ležaja blizu drug drugemu dobimo precej spodoben model kristalne strukture in hitro vidimo, da je število načinov postavitve kroglic omejeno. Glede na to, kako so atomske vrstice in atomske ravnine nameščene druga glede na drugo, lahko dobimo različne vrste kristalov. Vrsta urejanja atomov pa je odvisna od njihove medsebojne interakcije, narave vezi med delci.
S skrbnim lomljenjem kristalov nastanejo nenavadne strukture z zanimivimi lastnostmi. Najprej se pojavijo velika območja s pozitivnim ali negativnim površinskim nabojem, ki ustvarijo močno električno polje, nato pa se v labirinte spremenijo le nekaj atomov v širino.
Številne lastnosti ionskih kristalov so posledica njihove strukture na atomskem merilu: pozitivno in negativno nabiti atomi se med seboj privlačijo in tvorijo močno periodično mrežo. Toda naboje na površini kristala je treba nadomestiti. "Če kristal razdelite s kubično rešetko po določenih smereh, lahko dobite naboje samo ene vrste," razlaga eden od avtorjev dela Ulrich Diebold z dunajske univerze. "Ta konfiguracija je izjemno nestabilna." Potencialno bi lahko taka plast na drobnem vzorcu ustvarila polje z napetostjo milijonov voltov. Znanstveniki to situacijo imenujejo "polarizacijska katastrofa."
V novi raziskavi so fiziki poskušali razumeti, kako natančno so atomi reorganizirani, da preprečijo polarizacijsko katastrofo. "Površina se lahko kot odgovor na napako spremeni na različne načine," pravi prvi avtor Martin Setvin. "Elektroni se lahko začnejo kopičiti na določenih mestih, kristalna rešetka se lahko popači ali se molekule iz zraka lahko prilepijo na površino in spremenijo njene lastnosti."
Znanstveniki so kristale kalijevega tantalata KTaO3 razcepili pri nizkih temperaturah in dobili cepitve, pri katerih je polovica atomov iz plasti z enakimi naboji ostala na enem drobcu, drugi pa na drugem. Regije z ioni z enakim nabojem so tvorile "otoke", čeprav je bila površina v povprečju nevtralna. "Kljub temu so otoki dovolj veliki, da se polarizacijski katastrofi ne da povsem izogniti - polje, ki ga ustvarijo, je tako veliko, da spremeni lastnosti podložnih plasti," je dejal Setvin.
Promocijski video:
Z rahlim zvišanjem temperature so otoki razpadli v labirint prekinjenih linij, njegove "stene" pa so bile visoke le en atom in široke 4-5 atomov.
"Labirintu podobne strukture niso le lepe, ampak tudi potencialno uporabne," je zaključil Diebold. "To je točno tisto, kar potrebujete - močna električna polja v atomskem merilu." Kot eno izmed možnih aplikacij avtorji imenujejo izvajanje kemičnih reakcij, ki ne potekajo pod drugimi pogoji, na primer cepitvijo vode, da dobimo vodik.
Glavne lastnosti kristalov - anizotropija, homogenost, sposobnost samoizgorevanja in prisotnost stalnega tališča določajo njihova notranja struktura.
Anizotropija
Ta lastnost se imenuje tudi podobnost. Izraža se v tem, da fizikalne lastnosti kristalov (trdota, trdnost, toplotna prevodnost, električna prevodnost, hitrost širjenja svetlobe) niso enake v različnih smereh. Delci, ki tvorijo kristalno strukturo v vzporednih smereh, so na različnih razdaljah oddaljeni drug od drugega, zaradi česar bi morale biti lastnosti kristalne snovi v takšnih smereh različne. Sljuda je značilen primer snovi z izrazito anizotropijo. Kristalne plošče tega minerala se zlahka razcepijo le po ravninah, vzporednih s frekvenco plošče. Veliko težje je razdeliti plošče sljude v prečnih smereh.
Anizotropija se kaže tudi v tem, da je, kadar je kristal izpostavljen kakršnemu koli topilu, hitrost kemičnih reakcij v različnih smereh različna. Posledično vsak kristal ob raztapljanju pridobi svoje značilne oblike, ki jih imenujemo jedkanice.
Za amorfne snovi je značilna izotropija (enakovrednost) - fizikalne lastnosti v vseh smereh se kažejo na enak način.
Enotnost
Izraža se v tem, da so kakršni koli osnovni volumni kristalne snovi, enakomerno orientirani v prostoru, popolnoma enaki v vseh svojih lastnostih: imajo isto barvo, maso, trdoto itd. tako je vsak kristal homogeno, a hkrati anizotropno telo.
Enotnost ni edinstvena za kristalna telesa. Tudi trdne amorfne tvorbe so lahko homogene. Ampak amorfna telesa sama po sebi ne morejo dobiti večplastne oblike.
Samoomejevalna sposobnost
Sposobnost samo-soočanja se izraža v dejstvu, da se kateri koli drobec ali kroglica, ki se iz kristala obrne v medij, primeren za njegovo rast, sčasoma pokrije z obrazi, značilnimi za določen kristal. Ta lastnost je povezana s kristalno strukturo. Steklena kroglica, na primer, nima take lastnosti.
Kristali iste snovi se lahko med seboj razlikujejo po svoji velikosti, številu obrazov, robov in obliki obrazov. Odvisno je od pogojev za nastanek kristala. Z neenakomerno rastjo so kristali sploščeni, podolgovati itd. Koti med ustreznimi ploskevi rastočega kristala ostanejo nespremenjeni. Ta lastnost kristalov je znana kot zakon stalnosti kotov fasete. V tem primeru se lahko velikost in oblika površin različnih kristalov iste snovi, razdalja med njimi in celo njihovo število razlikujeta, vendar koti med ustreznimi ploskvami v vseh kristalih iste snovi ostanejo pri enakem tlačnem in temperaturnem stanju konstantni.
Zakon stalnosti fasetih kotov je konec 17. stoletja ustanovil danski znanstvenik Steno (1699) na kristalih železnega leska in kamnitih kristalov, pozneje pa je ta zakon potrdil M. V. Lomonosov (1749) in francoski znanstvenik Rome de Lille (1783). Zakon konstantnosti fasetnih kotov imenujemo prvi zakon kristalografije.
Zakon stalnosti fasetnih kotov je razložen z dejstvom, da so vsi kristali ene snovi v svoji notranji strukturi enaki, tj. imajo enako strukturo.
Po tem zakonu so za kristale določene snovi značilni njihovi specifični koti. Zato je z merjenjem kotov mogoče dokazati pripadnost preiskovanega kristala eni ali drugi snovi. Eden od načinov kristalne diagnostike temelji na tem.
Za merjenje dvostranskih kotov kristalov so izumili posebne naprave - goniometre.
Stalno tališče
Izraža se v tem, da se pri segrevanju kristalnega telesa temperatura dvigne na določeno mejo; z nadaljnjim segrevanjem se snov začne topiti, temperatura pa nekaj časa ostane konstantna, saj vsa toplota gre v uničenje kristalne rešetke. Temperatura, pri kateri se začne taljenje, se imenuje tališče.
Amorfne snovi, za razliko od kristalnih, nimajo jasno opredeljenega tališča. Na hladilnih (ali ogrevalnih) krivuljah kristalnih in amorfnih snovi je razvidno, da v prvem primeru obstajata dva ostra preboja, ki ustrezata začetku in koncu kristalizacije; pri ohlajanju amorfne snovi imamo gladko krivuljo. Na podlagi tega je lahko ločiti kristalne snovi od amorfnih.
Kristalna trdnost
Problem kristalne trdnosti je bil in ostaja eden najpomembnejših v sodobni tehnologiji. Dejstvo je, da so široko uporabljeni konstrukcijski materiali večinoma zlitine železa (jekla), aluminija (silumin, duralumin), bakra (medenina, bron) in nekaterih drugih kovin, vsi pa imajo kristalno strukturo. Pri kovinah se redko ukvarjamo s tako pravilnimi in lepimi kristali, o katerih smo govorili prej. Kovinske zlitine imajo tako imenovano polikristalno strukturo, to je, da so sestavljene iz posameznih zrn - kristalov, več razpletenih drug glede drugega.
Korak za korakom je človek prešel iz manj trpežnega materiala na bolj trpežen material, kar je vodilo k izboljšanju vse uporabljene tehnologije in širitvi njegovih zmogljivosti. Zdaj v boju za moč štejejo samo obresti; praktično vse, kar je mogoče, je bilo iztisnjeno iz tehničnih materialov in vsak nadaljnji korak se podaja z vse večjimi težavami.
Pred dvajsetimi leti se je zdelo, da če bi se kdo naučil gojiti kristale brez napak velike velikosti, bi bil problem trdnosti popolnoma rešen, poraba kovine pa bi se zmanjšala za stokrat. Žal se ti upi niso uresničili. Gojenje popolnega velikega kristala je zelo drago ali nemogoče. Le na področjih, kot je elektronika, si ga lahko privoščite. Na primer, polprevodniški kristali Ge in Si se gojijo praktično brez napak. Enaki so rubinasti kristali za laserje. Kar zadeva konstrukcijske materiale, je tukaj še vedno treba doseči visoke vrednosti trdnosti po tradicionalni poti.
In še en pomemben zaključek. Izkazalo se je, da številne fizikalne lastnosti kristalov, predvsem njihova moč, ne določajo idealne kristalne rešetke, temveč odstopanja od idealnosti - okvarjena struktura. Spretna uporaba takšnih okvar kristala omogoča nadzor njegovih lastnosti in prilagoditev različnim zahtevam sodobne tehnologije. Za fizika ali inženirja so napake zelo pomemben sestavni del kristala, brez katerega praktično ne more obstajati. Toda tema pomanjkljivosti kristalov si zasluži globljo in obsežnejšo razpravo, kot je mogoče v tem članku.