Kryształy to ciała stałe o regularnym geometrycznym kształcie. Struktura, w której znajdują się uporządkowane cząstki, nazywana jest siecią krystaliczną. Punkty położenia cząstek, w których oscylują, nazywane są węzłami sieci krystalicznej. Wszystkie te ciała są podzielone na monokryształy i polikryształy.
Czym są monokryształy
Pojedyncze kryształy to pojedyncze kryształy, w których sieć krystaliczna ma wyraźny porządek. Często pojedynczy kryształ ma regularny kształt, ale ta cecha nie jest obowiązkowa przy określaniu rodzaju kryształu. Większość minerałów to pojedyncze kryształy.
Forma zewnętrzna zależy od tempa wzrostu substancji. Przy powolnym wzroście i jednorodności materiału kryształy mają prawidłowy szlif. Przy średniej prędkości cięcie nie jest wyraźne. Przy dużej szybkości krystalizacji rosną polikryształy składające się z wielu monokryształów.
Klasyczne przykłady monokryształów to diament, kwarc,topaz. W elektronice szczególne znaczenie mają monokryształy, które posiadają właściwości półprzewodników i dielektryków. Stopy monokryształów charakteryzują się podwyższoną twardością. Ultraczyste monokryształy mają takie same właściwości niezależnie od pochodzenia. Skład chemiczny minerałów zależy od tempa wzrostu. Im wolniej kryształ rośnie, tym doskonalszy jest jego skład.
Polikryształy
Pojedyncze kryształy i polikryształy charakteryzują się wysoką interakcją molekularną. Polikryształ składa się z wielu monokryształów i ma nieregularny kształt. Czasami nazywane są krystalitami. Pojawiają się w wyniku naturalnego wzrostu lub są hodowane sztucznie. Polikryształy mogą być stopami, metalami, ceramiką. Na główne cechy składają się właściwości monokryształów, ale duże znaczenie mają rozmiary ziaren, odległość między nimi i granice ziaren. W obecności granic właściwości fizyczne polikryształów znacznie się zmieniają, wytrzymałość maleje.
Polikryształy powstają w wyniku krystalizacji, zmian w proszkach krystalicznych. Minerały te są mniej stabilne niż monokryształy, co powoduje nierównomierny wzrost poszczególnych ziaren.
Polimorfizm
Pojedyncze kryształy to substancje, które mogą występować w dwóch stanach jednocześnie, różniących się właściwościami fizycznymi. Ta cecha nazywa się polimorfizmem.
Jednocześnie substancja w jednym stanie może być bardziej stabilna niż w innym. Gdy zmienią się warunki środowiskowe, sytuacja może:zmień.
Polimorfizm jest następujących typów:
- Rekonstrukcja - rozpad następuje w atomach i cząsteczkach.
- Odkształcenie - struktura jest modyfikowana. Następuje kompresja lub rozciąganie.
- Shift - niektóre elementy konstrukcji zmieniają swoje położenie.
Właściwości kryształów mogą się zmieniać wraz z nagłą zmianą składu. Klasycznym przykładem polimorfizmu jest modyfikacja węgla. W jednym stanie jest to diament, w innym grafit, substancje o różnych właściwościach.
Niektóre formy węglowodanów zamieniają się w grafit po podgrzaniu. Zmiany właściwości mogą zachodzić bez deformacji sieci krystalicznej. W przypadku żelaza zastąpienie niektórych składników prowadzi do zaniku właściwości magnetycznych.
Wytrzymałość kryształu
Każdy materiał używany w nowoczesnej technologii ma ostateczną wytrzymałość. Największą wytrzymałość ma stop niklu, chromu i żelaza. Zwiększenie wytrzymałości metali poprawi sprzęt wojskowy i cywilny. Zwiększona odporność na zużycie spowoduje dłuższą żywotność. Z tego powodu naukowcy od dawna badają wytrzymałość monokryształów.
Czyste monokryształy to kryształy o idealnej sieci krystalicznej, zawierające niewielką liczbę defektów. Wraz ze spadkiem liczby defektów wytrzymałość metali wzrasta kilkakrotnie. Jednocześnie gęstość metalu pozostaje prawie taka sama.
Pojedyncze kryształy o idealnej sieci są odporne na naprężenia mechaniczne aż do temperatury topnienia. Nie zmieniaj za pomocączas. Najczęściej takie monokryształy mają zerową dyslokację. Ale jest to warunek opcjonalny. Siłę tłumaczy się tym, że mikropęknięcia powstają w miejscach, w których występuje największa liczba dyslokacji. A pod ich nieobecność nie ma miejsca na pojawienie się pęknięć. Oznacza to, że monokryształ przetrwa aż do przekroczenia progu jego wytrzymałości.
Sztuczne monokryształy
Uprawa monokryształów jest możliwa na obecnym poziomie nauki. Podczas obróbki metalu, bez zmiany jego składu, możesz stworzyć pojedynczy kryształ, który ma wysoki margines bezpieczeństwa.
Istnieją 2 znane metody produkcji monokryształów:
- super wysokie ciśnienie i odlewanie metali;
- ciśnienie kriogeniczne.
Pierwsza metoda jest popularna przy obróbce metali lekkich. Biorąc pod uwagę czystość metalu i rosnące ciśnienie, stopniowo pojawi się nowy metal o tych samych właściwościach, ale o zwiększonej wytrzymałości. W określonych warunkach możliwe jest uzyskanie monokryształu o idealnej sieci. W obecności zanieczyszczeń istnieje możliwość, że sieć krystaliczna nie będzie idealna.
W metalach ciężkich wraz ze wzrostem ciśnienia zachodzi proces zmiany struktury. Monokryształ jeszcze się nie pojawił, ale substancja zmieniła właściwości.
Odlewanie kriogeniczne opiera się na produkcji cieczy kriogenicznych. Krystalizacja nie zachodzi pod wpływem pola magnetycznego. Forma półkrystaliczna staje się kryształem po naładowaniu elektrycznym.
Diamenti kwarc
Właściwości diamentu opierają się na fakcie, że jest to substancja o atomowej sieci krystalicznej. Wiązanie między atomami określa siłę diamentu. W stałych warunkach diament się nie zmienia. Pod wpływem próżni stopniowo zamienia się w grafit.
Rozmiary kryształów znacznie się różnią. Wyhodowane syntetycznie diamenty mają sześcienne twarze i wyglądają inaczej niż ich odpowiedniki. Do cięcia szkła wykorzystuje się właściwości diamentu.
Kryształy kwarcu można znaleźć wszędzie. Minerał jest jednym z najczęstszych. Kwarc jest zwykle bezbarwny. Jeśli w kamieniu jest wiele pęknięć, jest on biały. Po dodaniu innych zanieczyszczeń zmienia kolor.
Kryształy kwarcu są używane w produkcji szkła, do wytwarzania ultradźwięków, w sprzęcie elektrycznym, radiowym i telewizyjnym. Niektóre odmiany są używane w biżuterii.
Struktura monokryształów
Metale w stanie stałym mają strukturę krystaliczną. Struktura monokryształów to nieskończona seria naprzemiennych atomów. W rzeczywistości uporządkowanie atomów może zostać zakłócone z powodu efektów termicznych, mechanicznych lub z wielu innych powodów.
Krystaliczne kraty występują w 3 typach:
- typ wolframu;
- rodzaj miedzi;
- rodzaj magnezu.
Aplikacja
Sztuczne monokryształy to szansa na uzyskanie materiału o nowych właściwościach. Obszar zastosowania pojedynczych kryształów jest bardzo duży. Kwarc i dźwigar zostały stworzone przez naturę, natomiast fluorek sodu został sztucznie wyhodowany.
Monokryształy sąmateriały stosowane w optyce i elektronice. Kwarc i mika są używane w optyce, ale są drogie. W sztucznych warunkach można wyhodować pojedynczy kryształ, który będzie wyróżniał się czystością i siłą.
Diament jest używany tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość. Ale z powodzeniem jest syntetyzowany w sztucznych warunkach. Trójwymiarowe monokryształy są hodowane ze stopów.
