4. Кристаллическое состояние

1. Кристаллические и аморфные тела

По своему строению твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Подавляющее большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение. Так, например, почти все минералы и все металлы в твердом состоянии являются кристаллами. Кристаллические тела отличается повторяемостью в пространстве. Основное отличие кристаллов от жидкостей и газов – анизотропия физических свойств (механических, электрических, оптических и др.). Анизотропией называется зависимость свойств от выбранного в материале направления. Причиной анизотропии кристаллов служит упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул), из которых они построены. Группа атомов, молекул или ионов образует некоторую элементарную конфигурацию, которая периодически повторяется в трех измерениях без изменения своей ориентации. Таким образом, может быть получен монокристалл макроскопических размеров с правильной внешней огранкой. При этом плоские грани пересекаются под определенными для каждого вида кристалла углами. Говорят, что кристаллы обладают дальним порядком взаимодействия между атомами и молекулами из-за периодичности их структуры.

Однако чаще всего объем кристалла разбит на отдельные разориентированные относительно друг друга области, в пределах которых ориентация элементарной конфигурации сохраняется. Такие тела называются поликристаллическими. У идеальных поликристаллов анизотропия свойств проявляется только в пределах каждого отдельного монокристалла. В целом же идеальный поликристалл не обладает анизотропией вследствие беспорядочной ориентации монокристаллов, из которых он состоит. Однако на практике любая обработка поликристалла (деформация, нагрев, даже процесс роста) приводит к тому, что хаотичность ориентации монокристаллов в поликристаллическом образце нарушается. Возникает так называемая текстура – преимущественная ориентация кристаллов в поликристаллическом образце. При этом природная анизотропия проявляется в той или иной степени.

Кристаллы образуются (растут) из расплавов, паров, растворов исходных веществ, как в природных условиях, так и в лабораторных. В качестве примеров можно привести такие широко известные природные кристаллические материалы, как алмаз (С) и рубин (Al₂O₃), другие драгоценные камни, кварц (SiO₂), каменную соль (NaCl), различные металлы и их соединения. Искусственно можно вырастить монокристаллы даже заданной ориентации. Для этого, например, в расплав каменной соли, цинка и т.д. необходимо поместить небольшой образец кристалла определенной ориентации (затравку) и медленно его из расплава вытягивать. В результате происходит кристаллизация и образуется монокристалл с ориентацией затравки.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. К ним относятся газы, жидкости и аморфные тела (в переводе с греческого – бесформенные). Аморфные тела представляют собой переохлажденные жидкости с большой вязкостью, что препятствует частицам вещества принятию более упорядоченной формы. Типичные представители данного класса – стекло, различные полимеры, сажа и др. Они отличаются ближним порядком взаимодействия между образующими их частицами.

Интерес ученых к аморфным телам весьма значителен в связи с наличием у них многих полезных свойств. Например, аморфный кремний обладает ценными электронными свойствами.