Кристаллы и их свойства

лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим,

достигая 108 - 109 см-3. Кристаллов без дислокаций не существует.

Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создает

благоприятные условия для роста кристалла, Ведь не нужно начинать строить

ни новый ряд, ни новую плоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам,

наращивают ее, и за счет этого она начинает перемещаться по поверхности

грани. Но это движение не будет перемещением ступеньки параллельно самой

себе, так как ее конец неподвижен. Нетрудно сообразить, что если атомы

укладываются с постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки, то она по

мере роста начнет изгибаться и примет форму спирали. Постоянное наращивание

ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому, что на грани кристалла

образуется спиральная башенка (рис. 9). Центральная часть ее как бы

ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки

лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут,

превратившись в завершенный атомный слой.

Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа,

подтвердили реальность спирального механизма роста кристаллов. Если имеется

много близко расположенных дислокаций, то ступеньки роста кристаллов имеют

высоту во много атомных слоев и их можно видеть даже в обычный микроскоп.

Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве

мельчайших инородных тел — пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном

случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных

столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на

твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в

расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в

воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки.

Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла,

способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости

роста кристалла.

Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов

различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин,

другие — в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них —

различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней

кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины

сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в

направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в

направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с

пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит

преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В

направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно

ниже.

Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия

в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если

кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто

образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы,

называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов

соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани.

Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь

неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему

быстрому росту и т, д.

Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на

стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму

шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов

солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов

серебро, медь, золото.

Кристаллы в природе

Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан

со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным

представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного

вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За

счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других

источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С. При такой

высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением

вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое

произошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на

поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже

— породы, слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества

верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем

остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору,

пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.

Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной

коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество

земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав

различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При

охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества,

температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего

охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей

температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не

затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные

породы, как граниты.

Рассматривая зернистую поверхность гранита, можно сделать вывод,

какой из входящих в его состав минералов образовался раньше других. Зерна

этого минерала крупнее и имеют форму, близкую к форме правильных

кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы других минералов. Зерна

кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайную форму, так как

для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших

кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше

росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же

минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстром

охлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во время

извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы.

Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.

При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись

трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит

беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы

кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров

и многие другие.

Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым

среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее

знакомых каждому человеку минералов. Толщина пластов каменной соли,

образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых

месторождениях нескольких сотен метров.

Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки,

морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки

деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.

Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов.

Например, летучие пары соединений борного ангидрида оседая на стенках

пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда

достигающие 2—3 м длины.

На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются

кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ,

достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия

за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита (Ре2О3)

толщиной 1 м.

Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов.

Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных

телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный

камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.

В морской воде растворено много различных солей. Мириады организмов,

населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и

кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов

образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова

в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу

скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов. Мощные слои

известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений

раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земной коры

часть известняка оказалась на значительной глубине, где под действием

высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор

является типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород.

Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и

неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются

взаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться

в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обнаруживают

никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах

протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные

(такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они

начинают двигаться, размножаться.

Наконец, самое удивительное. Казалось бы, кристалл и живой организм

представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В

кристалле неизменными остаются сами атомы и молекулы и их взаимное

расположение в пространстве, в живом организме не только не существует

сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но

даже ни на одно мгновение не остается 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 остается самим собой в течение многих десятков и сотен лет!

Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно точной

его копией! Следовательно, в клетках любого животного или растения имеется

что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами,

протекающими в них. Такими носителями «программы» процессов, протекающих в

живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой

коротко ДНК. Эти молекулы уже упоминались во введении, когда речь шла о

самых больших молекулах в природе.

Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности

клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего

живого организма из одной только клетки! С полным основанием можно сказать,

что молекула ДНК является основой жизни.

Согласно современным данным, молекула ДНК представляет собой двойную

спираль, составленную из небольшого числа сравнительно простых молекулярных

соединений, повторяющихся в строго определенном для данного вида порядке.

Диаметр молекулы ДНК равен 2*10-9 м, а длина может достигать нескольких

сантиметров. Такие гигантские молекулы с точки зрения физики

рассматриваются как особый вид твердого тела — одномерные апериодические

кристаллы. Следовательно, кристаллы — это не только символ неживой природы,

но и основа жизни на Земле.

Получение и применение кристаллов

Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают

замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими

свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала,

встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом

электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике.

Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие

находят применение при изготовлении оптических приборов.

К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин,

загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что

многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными

камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое

время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли

другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные

камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень

нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных

исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что

удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков

новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения

научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий

химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы,

встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они

растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного

изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного

камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это

тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко

распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз —

это кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллы окиси алюминия с

различными примесями.

Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый

взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень

просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить

расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не

принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический

образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном,

сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов

затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой

гарантии, что не будет получено аморфное тело.

Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного

охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и

получить в нем «зародыш» кристалла, А затем, последовательно охлаждая

расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по

всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием

тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл

зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более

низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему

расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в

нем мог расположиться только один кристаллический зародыш (рис. 10).

Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка,

серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия,

бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической

промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой

порядка килограмма.

Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов

материалом тигля.

Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из

расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры).

Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2—100 мкм высыпается

тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя,

плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала.

Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления

окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют

корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10—20 мм1ч)

опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл

корунда, по форме напоминающий перевернутую грушу, так называемая буля

(рис. 11).

Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум

способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из

насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры

раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют

воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов

выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения

кристаллов частицами растворителя.

Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его

непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор

оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный

раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда

имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого

перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто

дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся

держателе (рис. 12). Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.

Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это

правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и

поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но,

к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например,

получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и

давлении 1000 ат.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и

разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими

примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю

историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой

алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек.

Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы

используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так

велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения

алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.

Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку

инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными

камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в

других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не

обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но

разнообразию технических применении рубин — благородный корунд, окись

алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство

искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина

удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми

оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из

химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна

требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого

твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них

искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев,

рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.

Новая область для широкого применения рубинов в научных

исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера —

прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света,

испускаемою в виде тонкого светового луча.

Страницы: 1, 2, 3, 4