Kristalai yra kieti kūnai, turintys taisyklingą geometrinę formą. Struktūra, kurioje yra sutvarkytos dalelės, vadinama kristaline gardele. Dalelių, kuriose jos svyruoja, išsidėstymo taškai vadinami kristalinės gardelės mazgais. Visi šie kūnai skirstomi į monokristalus ir polikristalus.
Kas yra pavieniai kristalai
Pavieniai kristalai yra pavieniai kristalai, kurių kristalų gardelės tvarka yra aiški. Dažnai vienas kristalas turi taisyklingą formą, tačiau ši savybė nėra privaloma nustatant kristalo tipą. Dauguma mineralų yra pavieniai kristalai.
Išorinė forma priklauso nuo medžiagos augimo greičio. Lėtai didėjant ir medžiagos homogeniškumui, kristalai turi tinkamą pjūvį. Esant vidutiniam greičiui, pjūvis nėra ryškus. Esant dideliam kristalizacijos greičiui, auga polikristalai, susidedantys iš daugelio pavienių kristalų.
Klasikiniai pavienių kristalų pavyzdžiai yra deimantas, kvarcas,topazas. Elektronikoje ypač svarbūs pavieniai kristalai, turintys puslaidininkių ir dielektrikų savybių. Vienkristalų lydiniai pasižymi padidintu kietumu. Itin gryni pavieniai kristalai turi tas pačias savybes, nepriklausomai nuo kilmės. Mineralų cheminė sudėtis priklauso nuo augimo greičio. Kuo lėčiau auga kristalas, tuo tobulesnė jo sudėtis.
Polikristalai
Pavieniams kristalams ir polikristalams būdinga didelė molekulinė sąveika. Polikristalas susideda iš daugelio pavienių kristalų ir yra netaisyklingos formos. Kartais jie vadinami kristalitais. Jie atsiranda dėl natūralaus augimo arba auginami dirbtinai. Polikristalai gali būti lydiniai, metalai, keramika. Pagrindines charakteristikas sudaro pavienių kristalų savybės, tačiau didelę reikšmę turi grūdelių dydžiai, atstumas tarp jų ir grūdelių ribos. Esant riboms, polikristalų fizinės charakteristikos labai pakinta, stiprumas mažėja.
Polikristalai susidaro dėl kristalizacijos, kristalinių miltelių pokyčių. Šie mineralai yra mažiau stabilūs nei pavieniai kristalai, todėl atskiri grūdeliai auga netolygiai.
Polimorfizmas
Pavieniai kristalai yra medžiagos, kurios vienu metu gali egzistuoti dviejose būsenose, kurios skirsis savo fizinėmis savybėmis. Ši savybė vadinama polimorfizmu.
Tuo pačiu metu vienos būsenos medžiaga gali būti stabilesnė už kitą. Pasikeitus aplinkos sąlygoms, situacija galipakeisti.
Polimorfizmas yra šių tipų:
- Rekonstrukcija – vyksta atomų ir molekulių skilimas.
- Deformacija – modifikuojama struktūra. Atsiranda suspaudimas arba tempimas.
- Shift – kai kurie struktūros elementai keičia savo vietą.
Kristolų savybės gali pasikeisti staiga pasikeitus kompozicijai. Klasikinis polimorfizmo pavyzdys yra anglies modifikavimas. Vienoje būsenoje tai deimantas, kitoje – grafitas, skirtingų savybių medžiagos.
Kai kurios angliavandenių formos kaitinant virsta grafitu. Savybių pokyčiai gali atsirasti nedeformavus kristalinės gardelės. Geležies atveju pakeitus kai kuriuos komponentus išnyksta magnetinės savybės.
Krištolinis stiprumas
Bet kokia šiuolaikinėse technologijose naudojama medžiaga turi galutinį stiprumą. Nikelio, chromo ir geležies lydinys turi didžiausią stiprumą. Padidinus metalų stiprumą, pagerės karinė ir civilinė įranga. Padidėjęs atsparumas dilimui lems ilgesnį tarnavimo laiką. Dėl šios priežasties mokslininkai ilgą laiką tiria pavienių kristalų stiprumą.
Gryni pavieniai kristalai yra idealios kristalinės gardelės kristalai, kuriuose yra nedaug defektų. Sumažėjus defektų skaičiui, metalų stiprumas padidėja kelis kartus. Tuo pačiu metu metalo tankis išlieka beveik toks pat.
Pavieniai kristalai su idealia gardele yra atsparūs mechaniniam poveikiui iki lydymosi temperatūros. Nekeiskite sulaikas. Dažniausiai tokie pavieniai kristalai turi nulinį dislokaciją. Bet tai yra neprivaloma sąlyga. Stiprumas paaiškinamas tuo, kad tose vietose, kur yra daugiausiai išnirimų, susidaro mikroįtrūkimai. O kai jų nėra, įtrūkimams nėra kur atsirasti. Tai reiškia, kad monokristalas išliks tol, kol bus viršytas jo stiprumo slenkstis.
Dirbtiniai pavieniai kristalai
Užauginti pavienius kristalus dabartiniu mokslo lygiu įmanoma. Apdorodami metalą, nekeisdami jo sudėties, galite sukurti vieną kristalą, turintį didelę saugos ribą.
Yra 2 žinomi pavienių kristalų gamybos būdai:
- ypač aukšto slėgio ir metalo liejimas;
- kriogeninis slėgis.
Pirmasis metodas yra populiarus apdorojant lengvuosius metalus. Atsižvelgiant į metalo grynumą ir didėjantį slėgį, pamažu atsiras naujas metalas, turintis tas pačias savybes, tačiau didesnis stiprumas. Tam tikromis sąlygomis galima gauti vieną kristalą su idealia gardele. Esant priemaišoms, yra tikimybė, kad kristalinė gardelė nebus ideali.
Sunkuosiuose metaluose, didėjant slėgiui, vyksta struktūros keitimo procesas. Vienkristalas dar nepasirodė, bet medžiagos savybės pasikeitė.
Kriogeninis liejimas pagrįstas kriogeninių skysčių gamyba. Magnetinio lauko įtakoje kristalizacija nevyksta. Pusiau kristalinė forma po elektrinio įkrovimo tampa kristalu.
Deimantasir kvarcas
Deimantų savybės pagrįstos tuo, kad tai medžiaga, turinti atominę kristalinę gardelę. Ryšys tarp atomų lemia deimanto stiprumą. Esant pastovioms sąlygoms, deimantas nesikeičia. Veikiamas vakuume, jis palaipsniui virsta grafitu.
Krištolų dydžiai labai skiriasi. Sintetiniu būdu išauginti deimantai turi kubelių paviršius ir atrodo kitaip nei jų kolegos. Deimantų savybės naudojamos stiklui pjauti.
Kvarco kristalai randami visur. Mineralas yra vienas iš labiausiai paplitusių. Kvarcas dažniausiai yra bespalvis. Jei akmens viduje yra daug įtrūkimų, vadinasi, jis b altas. Pridėjus kitų priemaišų, pasikeičia spalva.
Kvarco kristalai naudojami stiklo gamyboje, ultragarsui sukurti, elektros, radijo ir televizijos įrangoje. Kai kurios atmainos naudojamos papuošaluose.
Pavienių kristalų struktūra
Kietos būsenos metalai turi kristalinę struktūrą. Pavienių kristalų struktūra yra begalinė kintančių atomų serija. Tiesą sakant, atomų išdėstymas gali būti sutrikdytas dėl terminio poveikio, mechaninių ar dėl daugelio kitų priežasčių.
Krištolinės gardelės yra 3 tipų:
- volframo tipas;
- vario tipo;
- magnio tipo.
Programa
Dirbtiniai monokristalai – tai galimybė gauti naujų savybių turinčios medžiagos. Pavienių kristalų taikymo sritis yra labai didelė. Kvarcą ir špatą sukūrė gamta, o natrio fluoridą išaugino dirbtinai.
Monokristalai yraoptikoje ir elektronikoje naudojamos medžiagos. Kvarcas ir žėrutis naudojami optikoje, tačiau yra brangūs. Dirbtinėmis sąlygomis galite išauginti vieną kristalą, kuris pasižymės grynumu ir stiprumu.
Deimantas naudojamas ten, kur reikalingas didelis stiprumas. Bet jis sėkmingai sintetinamas dirbtinėmis sąlygomis. Trimačiai pavieniai kristalai išauginami iš lydalo.
