Кристаллы

Анизотропия — кристалл

Анизотропия кристаллов резко проявляется и в процессе их роста.

Анизотропия кристаллов существенно влияет на параметры полупроводниковых приборов.

Анизотропия кристаллов объясняется их атомной структурой, но существуют материалы, у которых определяющие их анизотропию структурные элементы имеют значительно большие размеры. Примером может служить древесина, расположение видимых невооруженным глазом волокон создает относительно высокую прочность в направлении оси ствола и малую прочность в поперечном направлении. В этом отношении можно сказать, что природа распорядилась прочностью целлюлозы, из которой, в основном, состоит древесина, наилучшим образом. По этому принципу в технике создают так называемые композитные материалы, примером которых могут служить стеклопластики. Тонкая стеклянная нить имеет высокую прочность, укладывая слои такой нити, пропитывая их смолой и полимеризируя, получают монолитные пластины. Чередуя направления укладки слоев, можно менять степень и характер анизотропии с тем, чтобы использовать прочность волокна наивыгоднейшим образом

В последние годы были получены и промышленно освоены высокопрочные волокна, значительно превосходящие по своим свойствам стеклянное волокно и, что особенно важно, имеющие значительно более высокий модуль упругости. Наибольшее распространение получили волокна бора и углерода, которыми армируют пластики и металлы.

Анизотропия кристаллов обусловлена упорядочен ным расположением частиц ( атомов, ионов, молекул), из которых они построены. Упорядоченное расположение частиц проявляется во внешней огранке кристаллов. Кристаллические тела ограничены плоскими гранями, пересекающимися под некоторыми, определенными для каждого вида кристаллов, углами.

Анизотропия кристаллов, подтвержденная опытом, имеет в технике большое практическое значение.

Анизотропия кристаллов обусловлена упорядоченным расположением частиц ( атомов, ионов, молекул), из которых они построены. Упорядоченное расположение частиц проявляется во внешней огранке кристаллов. Кристаллические тела ограничены плоскими гранями, пересекающимися под некоторыми, определенными для каждого вида кристаллов, углами.

Анизотропия кристаллов резко проявляется и в процессе их роста. При образовании кристаллика из расплава или раствора скорости роста различных его граней отличаются в определенное число раз друг от друга. Это, в частности, обусловливает правильную форму возникающих кристалликов.

Анизотропия кристаллов, причина которой пояснена в § 4, приводит к необходимости введения определенной системы в обозначениях узловых плоскостей и направлений в кристалле.

Анизотропия кристалла затрудняет его термодинамическое описание.

Анизотропия кристаллов обусловлена упорядоченным расположением частиц ( атомов, ионов, молекул), из которых они построены. Упорядоченное расположение частиц проявляется во внешней огранке кристаллов. Кристаллические тела ограничены плоскими гранями, пересекающимися под некоторыми, определенными для каждого вида кристаллов, углами.

Анизотропия кристаллов, подтвержденная опытом, имеет в технике большое практическое значение.

Кристалл SiOL.| Поликристалл ванадия.

Анизотропией кристаллов называют различие их свойств в зависимости от направления относительно осей симметрии, поскольку кристалл представляет собой симметричную фигуру. В поликристаллических телах ( металлы) анизотропия проявляется слабее, так как кристаллические зерна могут быть ориентированы хаотично, — псевдоизотропия. В определенных условиях, а именно при пластической деформации, поликристаллические металлы проявляют свою анизотропность. Квазитвердые тела этим свойством не обладают и являются изотропными.

Виды кристаллов[]

Следует разделить, идеальный и реальный кристалл

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Другие факты

Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.
Одни из наибольших кристаллов в мире были обнаружены в Мексике, в Пещере кристаллов. Так найденный кристалл селенита (прозрачный гипс) имел в ширину около метра, а в длину – пятнадцати метров.
Согласно сообщению, опубликованному в 1914-м году, в шахте Южной Дакоты был обнаружен кристалл сподумена (силикат лития и алюминия) длиной 12,8 метров и весом – 90 тонн.

Кристаллическая решётка[]

Основная статья: Кристаллическая решётка

Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера, графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода, среди сложных веществ — кварц, тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния.

Типы анизотропии

Анизотропия кристаллов — это свойство кристаллов проявлять различное поведение в разных направлениях. Это свойство происходит из-за отличий в связи атомов в разных направлениях кристалла. Существуют различные типы анизотропии, которые проявляются в разных свойствах кристаллов.

Оптическая анизотропия:
Оптическая анизотропия возникает из-за различной скорости распространения света в разных направлениях кристалла. Это можно наблюдать в таких явлениях, как двойное лучепреломление или полосатость в микроскопе поляризационного света.
Термическая анизотропия:
Термическая анизотропия возникает из-за различной температурной расширяемости в разных направлениях кристалла. Это может привести к кривым или деформированным кристаллам при изменении температуры.
Механическая анизотропия:
Механическая анизотропия возникает из-за различной упругости в разных направлениях кристалла. Это проявляется в различной силе удара в разных направлениях, что может привести к различным видам трещин или деформаций.
Электрическая анизотропия:
Электрическая анизотропия проявляется из-за различия в проводимости в разных направлениях кристалла. Это может привести к различным видам технологических приложений, таких как изготовление диодов или фоточувствительных элементов.

Таким образом, анизотропия является важным свойством кристаллов и проявляется в различных свойствах. Знание этих типов анизотропии позволяет улучшить понимание физических свойств кристаллов и применить их в различных технологических приложениях.

Определение и сущность анизотропии

Анизотропия – это свойство кристаллов, когда их свойства изменяются при деформации или внешнем воздействии в разных направлениях. Это означает, что физические свойства кристалла, такие как прочность, электрическая проводимость, оптические свойства и другие, будут различаться в разных направлениях. Анизотропия может быть связана с различными факторами, включая форму кристалла, состав, структуру и ориентацию.

Сущность анизотропии заключается в том, что различные направления кристалла могут иметь различные физические свойства. В чистом виде анизотропия проявляется в отсутствии симметрии кристалла в трехмерном пространстве. Это значит, что свойства кристалла могут различаться в различных направлениях: по длине, ширине и высоте.

Например, для кристаллов, как правило, свойства направлены симметрично в режиме основной симметрии. В то же время, анизотропные кристаллы могут иметь свойства, которые различны в различных направлениях. Например, кристалл цеолит имеет различные свойства проводимости в различных направлениях.

Анизотропия кристаллов может привести к интересной оптической модификации – двойное преломление. Когда луч света проходит через анизотропный кристалл, он расщепляется на два луча, каждый из которых следует различной траектории. Это позволяет использовать анизотропные материалы для разработки оптических приборов, таких как поляризационные фильтры и чувствительные к искажению деформации оптические датчики.

Взаимосвязь между анизотропией и механикой

Анизотропия кристаллов имеет важное значение в механике твердого тела. Это возможно, поскольку свойства кристалла связаны с его внутренней структурой и ориентацией

При механическом напряжении структура кристалла может изменяться, что может приводить к изменению его свойств. Например, при растяжении анизотропного кристалла, свойства в направлении растяжения будут отличаться от свойств в направлении сжатия. Это может приводить к дополнительным проблемам в процессе проектирования и эксплуатации материалов и конструкций.

Свойства анизотропного кристалла	Характеристики в различных направлениях
Прочность	Высокая в направлении напряжения, низкая в остальных направлениях
Теплопроводность	Высокая в одном направлении, низкая – в других
Электрическая проводимость	Высокая в одном направлении, низкая – в других

Виды кристаллов

Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Сульфат алюминия-калия монокристалл

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Поликристалл висмута

Применение анизотропии в материаловедении

Анизотропия кристаллов имеет большое значение в материаловедении. Изучение анизотропных свойств материалов позволяет улучшать их механические характеристики и создавать более качественные конструкции.

Применение анизотропии кристаллов широко распространено в производстве легких и прочных сплавов. Например, благодаря изучению анизотропных свойств магниевых сплавов удалось создать более прочные материалы, которые используются в авиации и автомобильной промышленности.

Исследования анизотропии также позволяют создавать материалы, обладающие определенными электрическими и магнитными свойствами. Например, анизотропные материалы используются в производстве электронных компонентов — диодов, транзисторов, интегральных схем.

Кроме того, анизотропные материалы находят применение в оптике. Изучение анизотропии кристаллов позволяет создавать линзы и призмы с определенными оптическими свойствами. Например, такие призмы используются в лазерных технологиях.

Таким образом, анизотропия кристаллов играет важную роль в материаловедении и позволяет создавать более качественные и функциональные материалы, которые находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Анизотропия кристаллов[]

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.

В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.

В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.

Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.

Литература[]

Агафонов В. К. Краткое наставление для приготовленя моделей кристаллов // Программы и наставления для наблюдений и собирания коллекций по геологии, почвоведению, метеорологии, гидрологии, нивелировке, ботанике и зоологии, сельскому хозяйству и фотографии. СПб.: изд. Имп. СПб. О-ва Естествоисп. 1902. С. 30-35.
Зоркий П. М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.: изд-во МГУ, 1986. — 232 с.
Лихачёв В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. — СПб: Наука. — 471 с.
Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Астрель, 2001. ISBN 5-17-004585-9.
Шаскольская М. П.. Кристаллы. М.: Наука, 1985. 208 с.
Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия: Справ. изд. М.: Химия, 1989.
Шубников А. В., Флинт Е. А., Бокий Г. Б., Основы кристаллографии, М.— Л., 1940;
Шаскольская М., Кристаллы, М., 1959; Костов И., Кристаллография, пер. с болг., М., 1965;
Банн Ч., Кристаллы, пер. с англ., М., 1970;
Най Дж., Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц, пер. с англ., 2 изд., М., 1967

Возможные способы роста и образования

Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.
Раскристаллизация – переход вещества из твердого в твердое состояние, который может происходить по двум сценариям.
1. Первый – переход вещества из аморфного твердого тела в кристаллическое. Так, например, происходит кристаллизация стекла, в том числе кристаллизация вулканических пород, содержащих стекло.
2. Второй – перекристаллизация вещества с разрушением старой структуры и образованием новой. Большинство горных пород образуются именно таким способом. Известные примеры перекристаллизации: переход известняка в мрамор, кварцевых песчаников в кварциты или глинистых пород в филлиты.
Кристаллизация из растворов и расплавов. Наиболее распространенный природный способ образования. Так на дне водоемов «откладываются» кристаллы солей. Этим же способом искусственно выращивают алмаз, сапфир или рубин.