10 faktų apie kristalografiją

10 faktų apie kristalografiją

Artyom Oganov,
Žemės mokslų fakulteto profesorius ir Niujorko valstybinio universiteto fizikos ir astronomijos fakultetas
"Trejybės pasirinkimas" № 15 (84), 2011 m. Rugpjūčio 2 d

  1. Kristalografija yra tarpdisciplininis mokslas apie atominę struktūrą ir medžiagų savybes, tam tikras tiltas tarp fizikos, chemijos, medžiagų mokslo, geologijos ir planetologijos bei biologijos. Krystalografijos įkūrėjas yra Danas Nikolajus Stenonas (Niels stensen, 1638-1686), kuris suformulavo kampų pastovumo įstatymą tarp kristalų veidų, kuris tapo pirmuoju kristalografijos įstatymu (1669 m.). Stenon vėliau tapo vyskupu, gyveno asketišku gyvenimu ir buvo kanonizuotas Katalikų Bažnyčios.
  2. Dauguma medžiagų yra kristalai. Kristalas yra kietas kūnas, kurio atominė struktūra turi transliacinį periodiškumą. Be periodiškumo, kristalai dažnai turi ir kitų simetrijos elementų (ašinių, plokščių ir inversijos). Įvairių kristalų struktūrų skaičius yra begalinis, tačiau jie visi priklauso 230 simetrijos grupėms, pirmą kartą atsiradę 1890 m. E. S. Fedorov (1853-1919).
  3. Kristalų struktūrą lemia difrakcijos reiškinys,nes difrakcijos spindulių (rentgeno, neutronų, elektronų, gama spindulių) padėtis ir intensyvumas yra informacija apie atomų struktūrą. Pirmosios struktūros buvo išspręstos U. G. ir L. L. Braggie 1913 m., O pats rutulinių spindulių difrakcijos reiškinys kristalams buvo atrastas M. von Laue 1912 metais. Dabar taip pat galima patikimai prognozuoti kristalų struktūrą, pavyzdžiui, naudojant evoliucinius algoritmus. Biomolekulių (DNR, baltymų ir tt) struktūros nustatymui naudojami kristalografiniai metodai.
  4. Naudojant Rentgeno spindulių difrakciją, galima nustatyti elektronų tankio pasiskirstymo kristaluose duomenis ir analizuoti cheminį ryšį. Neutroninė difrakcija suteikia informacijos apie nugaros tankį. Abiejų tipų difrakcija pateikia informaciją apie atominių šilumos perkėlimų mastą ir sutrikimo laipsnį. Šie duomenys, kaip taisyklė, gerai sutariami su kvantinių-mechaninių skaičiavimų rezultatais.

    (aA) ledo kristalinė struktūra, rodanti molekulių H vietą2A. Kristalui būdingas struktūros periodiškumas.
    (b) M-anglies, nauja anglies modifikacija, kurios struktūra buvo suprantama tik 2006-2009 m.(A. R. Оганов, K. L. Li)

  5. Cheminio klijavimo ir kristalinės struktūros tipas yra nustatomas pagal atomų savybes – jų spindulius, elektrodalonines savybes ir polarizacines savybes. Šios savybės priklauso nuo kristalo atomų aplinkos ir iš esmės yra sąlyginai. Yra kelios sistemos spindulių ir elektrodo kiekio skalės.
  6. Kristalas – nors ir labiausiai paplitęs, bet tik vienas iš žinomų kietųjų medžiagų formų, turinčių tolimosios tvarkos. Taip pat žinomos neproporcingos fazės (jos turi bazinę periodinę struktūrą, pasipiktinusią periodine banga, kad periodiškumas išnyksta susidariusioje struktūroje, arba yra dvi periodinės substruktūros, kurių periodų santykis yra neracionalus, dėl ko prarandamas bendras periodiškumas struktūroje) ir kvazikristaliniai.
  7. 1982 m. D.Shechtmanas atrado kvarcristalius, ypatingą būklę, turinčią didelės apimties medžiagų, bet be transliacinio periodiškumo. Daugybė simetrijos elementų (5, 7 ir aukštesnių eilių ašys) yra nesuderinami su trimatės periodiškumu. Žinomi kvarcrystaliai su 5, 8, 10 ir 12 eilučių simetrijos ašimis. Visi žinomi kvazikristaliniai yra lydiniai, supramolekuliniai agregatai arba koloidinių dalelių agregatai. Nė vienas jonų kvazikristalis nėra žinomas. (a) 2007 m. Atidaryta nauja sieros modifikacija boro "Gamma-boras" (Oganovas, 2009), turinti unikalų cheminių jungčių pobūdį.
    (b) Nemetalinio skaidraus natrio modifikavimo kristalinė struktūra, kurią numatoma ir gaunama esant didesnei kaip 2 milijonų atmosferos slėgiui. Oranžinės "debesys" rodo vietoves, kuriose lokalizuojami valentingieji elektronai.
    (į) Net tokia savybė kaip spalva dažniausiai priklauso nuo krypties, kaip parodyta čia korierièio (Mg, Fe)2Al4Si5O18.
  8. Kristalo struktūra lemia daugelį jo savybių. Skirtingai nuo akinių ir skysčių, kristalai gali turėti įvairias įdomias savybes (feroelektrinį, pjezoelektrinį, dviburį saulės spinduliavimą), o jų savybės gali priklausyti nuo krypties. Pasikeitus slėgiui ir temperatūrai, struktūra gali pasikeisti (tai vadinama faziniu perėjimu). Faziniai perėjimai yra pirmosios rūšies (peršokti panašūs struktūros ir visų savybių pokyčiai) arba antrosios rūšies (savybės struktūra ir dalis stačiakampiai keičiasi, o simetrija ir kai kurios savybės pasikeičia kaip peršokimas). Faziniai perėjimai, vykstantys Žemės apvalkale, paaiškina dramatiškus Žemės akmenų savybių pokyčius gilumoje, užfiksuotus seismologais. Žemės slėnis yra 3,64 mln. Atmosferų.
  9. Cheminė cheminė medžiaga labai keičiasi esant spaudimui, ir daug ne visiškai suprantama. Visų pirma, paprastų metalų (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) slėgis sudaro labai sudėtingas struktūras, kurios vis dar nėra išsamiai paaiškintos. Tuo pačiu metu gerai suprantami tokie staigūs faktai, kaip metalizacija ir deguonies bei sieros perkėlimas į superlaidią būseną ir natrio metalizmo praradimas esant slėgiui.
  10. Didžiulį tyrėjų ir praktikų dėmesį taip pat pritraukia fotoniniai kristalai – metamedžiagos, kurių lūžio rodiklis keičiasi su dažniu, panašiu į šviesos bangos ilgį. Fotoniniai kristalai turi optinių filtrų savybes. Natūralaus fotoninio kristalo pavyzdys yra opalas, kurį sudaro periodiškai išdėstyti amorfinio silicio dioksido gumbuliukai.

Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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