Промисловість і наука часто потребують більш-менш великих одиночних кристалах. Колосальне значення для техніки мають кристали сегнетової солі і кварцу, що володіють чудовою властивістю перетворювати механічні дії (наприклад, тиск) в електричну напругу (стор. 48).
Оптична промисловість потребує великих кристалах кальциту, кам'яної солі, флюориту і ін.
Для годинникової промисловості дуже важливі кристали рубінів, сапфірів і деяких інших дорогоцінних каменів. Справа в тому, що окремі рухливі частини звичайних кишенькових годинників роблять на годину до 20 000 коливань. Така велика швидкість пред'являє виключно серйозні вимоги до кінчиків осей і до підшипників. Стирання буде найменшим, коли підшипником для кінчика осі діаметром 0,07-0,15 мм служить рубін або сапфір. Штучні кристали цих речовин володіють дуже великою міцністю і дуже малим тертям по відношенню до сталі. Чудово, що штучні камені виявляються при цьому краще таких же, знаходять в природі.
Для вивчення властивостей металів важливо мати у своєму розпорядженні поодинокими великими кристалами заліза, міді та ін.
Отже, треба навчитися вирощувати кристали всіх цих речовин до потрібного розміру. Для цієї мети існує ряд способів. Можна вирощувати кристали і з розплаву і з розчину. Основна складність полягає в тому, що, не зважаючи на спеціальних заходів, ми замість великого кристала отримаємо з розплаву мелкокристаллическое тверде тіло, а з розчину - дрібнокристалічний осад на дні посудини.
Ми вже говорили, що кристали починають рости з розчину тоді, коли він перенасичений розчиняється речовини. А для різних температур кількість речовини, що насичує розчин, по-різному. Тому вирощування з розчину великих, добре огранованих кристалів можливо лише в тому випадку, якщо температура розчину підтримується постійної за допомогою термостата. Без цього приладу температура протягом доби коливалася б, у всякому разі, на 3-4 °; при таких умовах кристал не може рости досить «акуратно».
Термостат - це велика ванна, оповита повстю, добре закрита і залита водою. Всередину термостата ставиться посудину з розчином. Температура підтримується на потрібному рівні за допомогою електричної печі. Автоматичний регулятор вимикає піч, коли температура занадто підвищується, і включає її знову, коли температура падає. Регулювати температуру за допомогою цих приладів можна з точністю до 0,01 °.
У міру росту кристалу температуру розчину поступово знижують. Це треба робити для того, щоб розчин весь час залишався трохи пересиченим, незважаючи на безперервне виділення з нього речовини. Досліди показують, що великі кристали вдається виростити тільки при дуже повільному охолодженні розчину, приблизно на 0,1 ° в один-два дня. Зростання великих кристалів триває багато тижнів.
Найцінніший внесок у розробку способів вирощування кристалів зроблений російським кристаллографом Г.В. Вульфом.
Дуже важко вирощувати великі кристали і з розплавів. Тут допомагає одне своєрідне явище: при певних умовах з виниклих на стінці судини зародків «виживає» лише один, розвиваючись за рахунок своїх менш «щасливих» сусідів.
Поодинокі кристали легкоплавких металів отримують звичайно в такий спосіб (див. Рис. 39). Метал розплавляють в скляній пробірці А з витягнутим кінцем. Пробірка підвішена на нитці всередині вертикальної циліндричної печі Б. За допомогою нитки пробірку повільно опускають вниз. Відтягнутий кінець поступово виходить з печі, і метал починає застигати. При цьому з усіх кристаликів виживає один; в міру опускання пробірки він продовжує рости уздовж її осі. Зрештою весь метал застигає у вигляді одиночного кристала.
Мал. 39. Отримання одиночних кристалів з розплаву.
А ось яким чином вирощують тугоплавкі кристали рубіна лауреати Сталінської премії чл.-кор. АН А.В. Шубніков і С.К. Попов. Дрібний порошок речовини сиплеться струменем через полум'я. Порошинки плавляться: крихітні краплі падають на тугоплавку підставку. Тут починається кристалізація, і знову-таки з безлічі кристалів виростає лише один. Наші вчені знайшли спосіб отримання довгих кристалічних стрижнів дорогоцінного каменю, такого необхідного для виробництва годинників та інших точних механізмів.
16. «Тверда рідина»
Якщо плавлення завжди починається при одній і тій же температурі, то хід кристалізації кілька більш примхливий. Зазвичай розплав вдається переохолодити нижче температури плавлення. У деяких випадках це переохолодження може бути настільки значним, що речовина, поступово загустевая, перетворюється в тверде на дотик, але не кристалічне тіло - атомам так і не вдається побудуватися в правильному порядку.
Часто буває і так, що переохолодження (тобто зменшення температури нижче температури плавлення) вдається провести лише на кілька градусів. Потім кристалізація відбувається, причому на відміну від звичайного випадку вона відбувається дуже швидко, відразу по всьому об'єму. Переохолоджених стан іноді є надзвичайно нестійким станом. Достатньо злегка струсити посудину або зробити доступною поверхню рідини для пилинок, щоб миттєво почалося утворення кристаликів.
При наявності затравки кристалізація, як правило, починається «вчасно». Такими затравки можуть служити пилинки досліджуваного твердого речовини, які є в повітрі над твердіє речовиною. Тому кристалізація у відкритому посуді відбувається зазвичай без переохолодження.
Одні речовини з працею переохолоджуватися, інші, навпаки, кристалізуються з працею. До перших належать метали, до других - такі речовини, як гліцерин, скло, цукрова карамель. Ці останні завжди виходять при охолодженні у вигляді некристалічних тел. Іноді їх кристалізація виявляється після багатьох років зберігання. Така запізніла кристалізація скла називається расстекловиваніем, кристалізація карамелі - засахариванием.
Що ж являє собою скло? Чи можна беззастережно називати його твердим тілом?
Скло зберігає свою форму - це властивість твердого тіла. Але по розташуванню своїх молекул скло - рідина. У розташуванні молекул скла немає порядку, навіть в невеликому обсязі відсутня впорядковане загратоване будова. Тіла типу скла - «тверді рідини» - називають аморфними тілами.
На противагу кристалам, аморфні речовини не мають певної температури плавлення. Скло не плавиться, а розм'якшується. При нагріванні шматок скла спочатку стає з твердого м'яким: його легко можна гнути або розтягувати; при більш високій температурі шматок починає змінювати свою форму під дією власної ваги. У міру нагрівання густа в'язка маса скла приймає форму того судини, де воно лежить. Ця маса спочатку густа, як мед, потім - як сметана, і, нарешті, вона стає майже такою ж маловязкой рідиною, як вода. При всьому бажанні ми не можемо тут вказати певної температури переходу твердого тіла в рідкий. Причини цього лежать в докорінну відмінність будови скла від будови кристалічних тіл.
Скло не плавиться, так як рідини не доводиться плавитися. Плавлення - це перехід від розташування молекул в строгому порядку до безладного розташуванню. А в твердому склі молекули і так розташовані безладно. Значить, підвищення температури скла лише збільшує розмах коливань його молекул, дає їм поступово все більшу і більшу свободу переміщення. У скла і подібних йому речовин немає основного властивості «справжнього» твердого кристалічного тіла, щодо якої ми можемо впевнено сказати: «до такої-то температури воно тверде, а ось тепер поряд з твердим тілом починає з'являтися - в результаті його розплавлення - рідина» .
17. Істинно тверді тіла побудовані з кристалів
Отже, переважна більшість твердих тіл має кристалічну будову. Метали і камені складаються з маленьких кристаликів - зерен, видимих здебільшого тільки в мікроскоп.
Властивості кристалів, їх розмір, їх взаємне розташування визначають властивості всього твердого тіла. Радянські вчені витратили багато праці на з'ясування зв'язку з цим і досягли найбільших успіхів.
Постараємося дати читачеві уявлення про величезну важливість цих досліджень для нашої техніки.
Будь-яка обробка металу позначається на його зернах. Ось отриманий шматок литого металу: зерна його розташовані безладно, розмір їх досить великий. З металу роблять дріт, простягають її. Як поводяться при цьому кристалічні зерна?
Дослідження показали, що зміна форми твердого тіла при протягуванні дроту або інший механічній обробці викликає роздроблення кристалічних зерен. Одночасно під дією механічних сил в їх розташуванні з'являється деякий порядок.
Про який порядок може йти тут мова? Адже уламки зерен абсолютно безформні.
Це вірно, зовнішня форма уламка може бути якою завгодно, але уламок кристала є все ж кристал: іони в його решітці упаковані так само правильно, як і в добре ограновані кристалі. Тому в кожному уламку можна вказати, як розташована його елементарний осередок. До обробки осередку строго впорядковані лише в межах кожного окремого зерна - загального порядку зазвичай немає. Після ж обробки зерна шикуються так, що в розташуванні їх осередків проступає певний загальний порядок, званий текстурою. наприклад, діагоналі осередків усіх зерен встановлюються приблизно паралельно напрямку обробки.
На малюнку 40, б текстура зображена на прикладі впорядкованості деяких певних зазначених нами в зернах площин - площин найбільш щільного заповнення іонами, які позначені рядами точок.
Мал. 40. Відсутність текстури (ліворуч) і її наявність (праворуч).
Явище текстури було вперше виявлено радянськими вченими - проф. Н.Є. Успенським і чл.-кор. АН С.Т. Конобєєвський.
Різні види обробки (прокат, кування, протяжка) призводять до текстур різних типів. В одних випадках зерна повертаються так, що їх елементарні осередки шикуються вздовж напрямку обробки діагоналлю, в інших випадках - ребром куба і т.д. Чим досконаліша прокат або протяжка, тим більш досконалий і текстура кристалічних зерен металу. Наявність текстури дуже сильно впливає на механічні властивості виробу. Вивчення розташування і величини кристалічних зерен в металевих виробах пролило світло на сутність механічної обробки металів і вказало, як слід правильно вести її.
З перебудовою кристалічних зерен пов'язаний і інший найважливіший технічний процес - отжиг. Якщо нагрівати прокатаний або протягнутий метал, то при досить високій температурі починається ріст нових кристалів за рахунок старих. В результаті відпалу текстура поступово руйнується; нові кристали розташовуються безладно. У міру підвищення температури (або просто при збільшенні тривалості відпалу) нові зерна ростуть, старі зникають. Зерна можуть вирости до видимих оком розмірів. Відпал різко змінює властивості металу. Метал стає більш пластичним, менш твердим. Це відбувається тому, що зерна стають більшими і текстура зникає.
Найбільш складним і в той же час найбільш цікавим є процес гарту стали, сутність якого була відкрита «батьком російської металургії» Дмитром Костянтиновичем Черновим.
Ми розповідали на стор. 37 про різних упаковках, побудованих з одних і тих самих атомів. Кожна з упаковок має «улюблений» проміжок температур, в якому вона стійко існує. До таких речовин належить і залізо. При високих температурах близько 1000 ° атоми заліза утворюють гранецентровані грати, при нормальній температурі залозу властива об'емноцентрірованная решітка (див. Вище рис. 29). Якщо температуру знижувати повільно, то атоми заліза перебудовують свою решітку і утворюють при кімнатній температурі нормальну упаковку. Інакше буде відбуватися цей процес, якщо температуру знизити швидко, наприклад, кинути розжарений шматок стали в холодну воду. В цьому випадку перебудова атомів не встигає відбутися, і ми отримуємо при низькій температурі то будова, яке зазвичай властиво лише високій температурі.
Для чого ж це потрібно? А потрібно це з тієї причини, що залізо, в якому атоми упаковані в гранецентрированной решітці, має значно кращі механічні властивості: загартована сталь (залізо з невеликою домішкою вуглецю і деяких інших речовин) має у багато разів більшою твердістю і міцністю, ніж незагартованої.
Зернисте кристалічну будову визначає властивості не тільки металів, але і інших твердих тіл.
Зростання дерева супроводжується утворенням, зростанням і зміною розташування кристаликів целюлози.
Властивості молочних продуктів визначаються змінами кристалів речовини, званого лактозою.
Міцність каучуку залежить від кількості в ньому кристалів.
Число прикладів легко можна помножити, охопивши майже всі галузі народного господарства, так як, за невеликими винятками, всі тверді тіла, що оточують нас, або поодинокі кристали, або складаються з дрібних кристалів. Кристалічному будовою твердих тіл і впливу цієї будови на їх властивості присвячено багато книг.
Якщо слово «кристал», пов'язане часто з чимось рідкісним, дорогоцінним, винятковим, стало для читача більш знайомим і близьким, якщо читач зрозумів, що ми живемо в світі кристалів, і якщо у читача з'явився інтерес до галузі вивчення властивостей, структури і способів отримання кристалів - області, яка принесла вже чимало користі нашій Батьківщині, - то завдання цієї маленької книжки виконана.
[2] Фігура 10, а має ще так званим центром симетрії. збігається з центром організму. Центр симетрії характеризується тим, що в якому б напрямку ми не провели через нього пряму лінію, завжди точки на цій прямій, рівновіддалені від центру, будуть належати подібним частинам тіла.
[5] Див. Книгу проф. А.І. Китайгородського «Будова речовини», «Науково-популярна бібліотека».
[6] Про ультразвуку розповідається в брошурі «Науково-популярної бібліотеки»: проф. Б.Б. Кудрявцев, «Нечутні звуки».
[7] Цей малюнок запозичений з книги «Освіта кристалів» члена-кор. АН Шубникова А.В. якому ми зобов'язані детальними дослідженнями механізму росту кристалів.