При слові «кристал» у вас напевно виникає образ дорогоцінного каменю або мінералу. Насправді до кристалів відноситься набагато більше речовин. Наприклад, лист сталі - це кристал, і м'який і жирний на дотик грифель олівця, тобто графіт. На перший погляд між графітом, чавуном та сапфіром немає нічого спільного - чому їх тоді відносять до кристалів і при чому тут сніжинки і вікінги? Про все це TP розповів Валерій Ройз, співробітник лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів МФТІ.
Щоб відповісти на ці питання, треба поглянути на розташування атомів всередині кристала. Вони упаковані у вигляді тривимірної структури, яка називається кристалічною решіткою. Уявіть собі кубик (хоча в загальному випадку це паралелепіпед), в якому якимось чином розміщені атоми. Потім ви приклеюєте до граней цього кубика точно такі ж, потім ще раз і так до нескінченності: таким чином ви отримаєте ідеальний кристал, тобто кристал без кордонів.
В реальності таких, звичайно, не існує. По-перше, очевидно, що будь-який матеріал має межі. По-друге, в процесі росту кристалу завжди виникають якісь дефекти або трапляються домішки. Це призводить до невеликих спотворень решітки, що, в свою чергу, змінює властивості матеріалу, наприклад його взаємодія зі світлом. Так, корунд, сапфір і рубін - це один і той же мінерал, оксид алюмінію, а присутність в них домішок призводить до різного кольору. Це дуже важливий момент: властивості кристала визначаються його кристалічною структурою. Чи буде він твердим або пластичним, провідником або ізолятором, прозорим або поглинає світло, визначається розташуванням атомів всередині нього. Наведу п'ять історій, що ілюструють це.
Історія перша: «Кеплер і сніжинки»
У 1610 році Йоганн Кеплер пише в якості новорічного подарунка своєму другові невеликий трактат «Про шестикутні сніжинки». До слова, це той самий Кеплер, який відкрив закони руху планет Сонячної системи. Вчений задався питанням, чому сніжинки мають форму шестикутної зірки, справедливо зауваживши, що відсутність п'ятикутних або семикутна сніжинок навряд чи є випадковістю. Він вважав, що в основі світу лежать числа, а значить, форма сніжинок пов'язана не з властивостями речовини, а визначена якимись загальними началами. Щоб зрозуміти якими, Кеплер проаналізував відомі йому регулярні просторові структури, що зустрічаються в природі, - бджолині стільники, зерна граната і горошини в стручку. Результатом його міркувань стала теорема - «гіпотеза Кеплера».
Сніжинка під мікроскопом
Уявіть собі, що нам потрібно укласти кульки в картонну коробку максимально щільно. Як це зробити? Рішення добре відомо, ним користуються, коли розкладають фрукти на ринках: потрібно розташувати кульки у формі пірамідки. Якщо поглянути на таку упаковку математично, то кожен шар розбивається на шестикутники, склеєні між собою. Начебто це пояснює, звідки у сніжинок саме таку кількість променів. Але виникають і нові питання: чому в такому разі сніжинки плоскі? Яка природа цих крихітних кульок, з яких вони складаються? Щоб відповісти на них, Кеплеру потрібно було знання про те, що всі речовини навколо утворені з атомів. А для нас в цій історії важлива взаємозв'язок, яка існує між формою кристала і його структурою на мікромасштабі, адже саме наявність кристалічної комірки - причина правильної геометричної форми мінералів.
Історія друга: «Обробка заліза»
Робота коваля - це складний і багато в чому інтуїтивний процес кування, загартування, відпустки металу. Як шматок матеріалу знаходить витончену форму і необхідні якості? Метал змінює твердість, стає пластичнее і міцніше. Це все та ж кристалографія, тільки прикладна. По суті коваль займається подорожжю по фазовій діаграмі заліза. Йому потрібно перевести матеріал з області, в якій у нього одна кристалічну структуру, в область з іншого, тим самим змінивши його характеристики. Це робиться, наприклад, шляхом розігріву та охолодження металу. Якщо рухатися за певним маршрутом на «карті заліза», то можна зробити шаруватий матеріал (інша назва таких матеріалів - композитні) - знамениту дамаська сталь.
Сталь під мікроскопом
Можна сказати, що ковалі були першими кристаллографами. Зрозуміло, ніхто з них не думав ні про які атомах і решітках, але зате у них був багатий експериментальний досвід. А 3 тисячі років історії заліза демонструють важливість взаємозв'язку між механічними властивостями кристала (твердість і т. Д.) І його кристалічною структурою.
Історія третя: «Сонячний камінь вікінгів»
Вплив розташування атомів на твердість матеріалу уявити собі досить просто. Якщо комусь цікаво, то це можна перевірити, збираючи різні фігури з кульок неокуба. Набагато більш дивним видається те, що кристалічна структура впливає ще й на поширення світла. Алмаз прозорий якраз за рахунок цього.
Історія четверта: «Ліки-пустушка»
Незабаром з'ясувалося, що причина була в умовах виробництва ліків, які випускалося у вигляді таблеток. Щоб зрозуміти, в чому ж була справа, ми повинні розібратися, як влаштована таблетка.
Покладемо, ми знайшли якусь речовину, яке знімає запальний процес в тканинах. Тепер перед нами стоїть питання: як доставити його в організм? Для цього ми можемо упакувати його в вигляді молекулярних (т. Е. Що складаються з молекул) кристаликів, спресувати порошок з них і таким чином отримати таблетку. І ось етап вирощування кристалів якраз найважливіший. Справа в тому, що молекули можуть володіти декількома різними кристалічними упаковками. Здавалося б, чого в цьому важливого? Але в результаті змінюються фізико-хімічні властивості ліки, зокрема розчинність. А щоб лікарська речовина потрапила з таблетки в кров, воно повинно розчинитися десь в шлунково-кишковому тракті. Якщо кристал буде погано розчинятися, то магії не станеться і препарат не подіє. Якраз це і сталося з «Ритонавір». При його виробництві не витримувався правильний температурний режим, в результаті чого вся партія ліки перетворювалася в пустушку.
Історія п'ята: «Розумні матеріали»
Не пропустіть таку лекцію:
