10 фактів про кристалографії

10 фактів про кристалографії

Артем Оганов,
професор факультету наук про Землю і факультету фізики і астрономії Університету штату Нью-Йорк
"Троїцький варіант" №15 (84) 02 серпня 2011 року

  1. Кристалографія – міждисциплінарна наука про атомну будову і властивості матеріалів, своєрідний міст між фізикою, хімією, матеріалознавство, геологією і планетологією, біологією. Засновником кристалографії вважається датчанин Микола Стенон (Niels Stensen, 1638-1686), який сформулював закон сталості кутів між гранями кристалів, що став першим законом кристалографії (1669). Стенон згодом став єпископом, прожив подвижницьке життя і був зарахований до лику святих Католицькою Церквою.
  2. Більшість матеріалів – кристали. Кристал – тверде тіло, атомна структура якого володіє трансляційної періодичністю. Крім періодичності кристали часто мають і іншими елементами симетрії (осьовими, площинними, інверсійними). Число різних кристалічних структур нескінченно, але всі вони відносяться до 230 груп симетрії, вперше вивів в 1890 р Е. С. Федоровим (1853-1919).
  3. Структуру кристалів визначають за допомогою явища дифракції,оскільки положення і інтенсивність діфрагірованних променів (рентгенівських, нейтронних, електронних, гамма-променів) містять інформацію про розташування атомів в структурі. Перші структури були вирішені У. Г. та В. Л. Брег в 1913 р, а саме явище дифракції рентгенівських променів на кристалах було відкрито М. фон Лауе в 1912 році. Зараз можна також і надійно прогнозувати структуру кристалів, наприклад за допомогою еволюційних алгоритмів. Кристалографічні методи використовуються і для визначення структури біомолекул (ДНК, білків і т. Д.).
  4. За допомогою дифракції рентгенівського випромінювання можна визначити деталі розподілу електронної щільності в кристалах і проаналізувати хімічний зв'язок. Дифракція нейтронів дає інформацію про спінової щільності. Обидва типи дифракції дають інформацію про величину теплових зміщень атомів і про ступінь безладу. Ці дані, як правило, добре узгоджуються з результатами квантово-механічних розрахунків.

    (а) Кристалічна структура льоду, на якій показано розташування молекул Н2О. Кристал характеризується періодичністю структури.
    (б) М-вуглець, нова модифікація вуглецю, структура якої була зрозуміла лише в 2006-2009 рр.(А. Р. Оганов, Q. Li)

  5. Тип хімічного зв'язку і кристалічна структура визначаються властивостями атомів – їх радіусами, електронний торгівельний і поляризованість. Ці властивості залежать від оточення атомів в кристалі і в значній мірі є умовними. Є кілька систем радіусів і шкал електроотріцательностей.
  6. Кристал – хоча і найпоширеніша, але лише одна з відомих форм твердої речовини з дальнім порядком. Відомі також несумірні фази (в них є базова періодична структура, обурена періодичної хвилею так, що в результуючій структурі періодичність пропадає, або ж є дві періодичні підструктури, ставлення періодів яких ірраціонально, що веде до втрати загальної періодичності структури) і квазікристалів.
  7. Квазікристалів, особливий стан речовини з дальнім порядком, але без трансляційної періодичності, були відкриті в 1982 році Д. Шехтманом. Ряд елементів симетрії (осі 5-го, 7-го і більш високих порядків) несумісні з тривимірною періодичністю. Відомі квазікристали з осями симетрії 5-го, 8-го, 10-го і 12-го порядків. Всі відомі квазікристали – сплави, супрамолекулярні агрегати або ж агрегати колоїдних частинок. Чи не відомо жодного іонного квазікристала. (а) Гамма-бор, нова Надтверда модифікація бору, відкрита в 2007 році (Оганов, 2009) і що володіє унікальним характером хімічного зв'язку.
    (б) Кристалічна структура неметалевої прозорою модифікації натрію, передбаченої і потім отриманої при тиску понад 2 млн атмосфер. Помаранчеві "хмари" показують області локалізації валентних електронів.
    (в) Навіть така властивість, як колір, в загальному випадку залежить від напрямку, як тут показано для кордиерита (Mg, Fe)2Al4Si5O18.
  8. Структура кристала визначає дуже багато з його властивостей. На відміну від стекол і рідин, кристали можуть володіти рядом цікавих властивостей (сегнетоелектричними, п'єзоелектричними, двулучепреломленіем), і їх властивості можуть залежати від напрямку. При зміні тиску і температури структура може змінитися (це називається фазовим переходом). Фазові переходи бувають першого роду (стрибкоподібне зміна структури і всіх властивостей) або другого роду (структура і частина властивостей змінюються плавно, а симетрія і деякі властивості – стрибкоподібно). Фазові переходи, що відбуваються в мантії Землі, пояснюють реєстровані сейсмологами різкі зміни властивостей порід Землі з глибиною. Тиск у центрі Землі становить 3,64 млн атмосфер.
  9. Хімія речовини істотно змінюється під тиском, і тут багато що не до кінця зрозуміле. Зокрема, прості метали (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) під тиском утворюють виключно складні структури, повного пояснення яким до цих пір немає. У той же час непогано зрозумілі такі дивовижні факти, як металізація і перехід кисню і сірки в надпровідний стан і втрата натрієм металличности під тиском.
  10. Велика увага дослідників і практиків привертають також фотонні кристали – метаматеріали, в яких показник заломлення змінюється з періодичністю, порівнянної з довжиною хвилі світла. Фотонні кристали володіють властивостями оптичних фільтрів. Прикладом природного фотонного кристала є опал, що складається з періодично розташованих глобул аморфного кремнезему.

Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: