Кристаллы как растут: 14. Как растут кристаллы. Кристаллы

Содержание

14. Как растут кристаллы. Кристаллы

14. Как растут кристаллы

Водяной пар, вода и лёд – это одно и то же вещество, молекулы которого состоят из 2-х атомов водорода и одного атома кислорода. Можно сказать про лёд, что это – твёрдая вода, или про воду, что это – жидкий лёд. Одно и то же вещество существует в трёх состояниях – газообразном, жидком и твёрдом. Вообще говоря, все вещества могут быть с большим или меньшим трудом получены во всех трёх состояних. Сталь и железо плавятся на металлургических заводах, жидкий воздух изготовляется для разных технических целей и развозится по городу в специальных теплоизолированных сосудах, твёрдый углекислый газ – это хорошо знакомый нам «сухой лёд»…

Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров (например, чёрные ромбовидные кристаллы иода легко выпадают из его паров при нормальном давлении без промежуточного перехода в жидкое состояние).

Начните растворять в воде столовую соль или сахар. Не любое количество удастся растворить. При комнатной температуре (20°) вы сумеете растворить в гранёном стакане 70 граммов соли. Дальнейшие добавки соли растворяться не будут и улягутся на дне в виде осадка. Раствор, в котором дальнейшее растворение уже не идёт, называется

насыщенным. Если изменить температуру, то изменится и степень растворимости вещества. Всем хорошо известно, что большинство веществ горячая вода растворяет значительно легче, чем холодная.

Представьте себе теперь, что вы приготовили насыщенный раствор, скажем, сахара при температуре 30° и начинаете охлаждать его до 20°. При 30° вы сможете растворить в 100 граммах воды 223 грамма сахара, при 20° растворяется 205 граммов. Тогда при охлаждении от 30 до 20° 18 граммов окажутся «лишними» и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.

Можно поступить и иначе. Приготовьте насыщенный раствор соли и оставьте его в открытом стакане. Через некоторое время вы обнаружите появление кристалликов. Почему же они образовались? Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов произошло ещё одно изменение – количество воды убыло. Вода испарилась, и в растворе оказалось «лишнее» вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов – это испарение раствора.

Как же происходит образование кристаллов из раствора?

Мы сказали, что кристаллы «выпадают» из раствора; надо ли это понимать так, что неделю кристалла не было, а в одно какое-то мгновение он вдруг сразу возник? Нет, дело обстоит не так: кристаллы растут.

Не удаётся, разумеется, обнаружить глазом самые начальные моменты роста. Сначала немногие из беспорядочно движущихся молекул или атомов растворённого вещества собираются в том примерно порядке, который нужен для образования кристаллической решётки. Такую группу атомов или молекул называют зародышем.

Опыт показывает, что зародыши охотнее образуются при наличии в растворе каких-либо посторонних мельчайших пылинок. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл-затравка. При этом выделение из раствора твёрдого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.

Рост зародыша не отличается, конечно, от роста затравки. Смысл использования затравки состоит в том, что она «оттягивает» на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом, одновременному образованию большого числа зародышей. Если же зародышей образуется сразу много, то они будут мешать друг другу при росте и не позволят нам получить крупных кристаллов.

Как распределяются на поверхности зародыша новые порции атомов или молекул, выделяющихся из раствора?

Опыт показывает, что рост зародыша или затравки заключается как бы в перемещении граней параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном грани. При этом углы между гранями остаются постоянными. (Мы уже знаем, что постоянство углов – важнейший признак кристалла, вытекающий из его решетчатого строения.)

На рисунке 36[7] даны последовательные очертания трёх кристаллов одного и того же вещества при их росте. Подобную картину можно наблюдать в микроскоп. В случае, изображённом слева, число граней во время роста сохраняется. Средний рисунок даёт пример появления новой грани (вверху справа) и снова её исчезновения.

Рис. 36. Слева – рост кристалла с сохранением числа граней; в середине – грани по мере роста кристалла могут зарастать и появляться вновь; справа – обломок кристалла приобретает при росте правильную форму.

Очень важно отметить, что скорость роста граней, то есть скорость перемещения их параллельно самим себе, неодинакова у разных граней. При этом «зарастают» – исчезают именно те грани, которые перемещаются всего быстрее, например левая нижняя грань на среднем рисунке. Наоборот, медленно растущие грани оказываются самыми широкими, как говорят, наиболее развитыми.

Особенно отчётливо это видно на последнем рисунке. Бесформенный обломок приобретает ту же форму, что и другие кристаллы именно из-за анизотропии скорости роста. Вполне определённые грани развиваются за счёт других всего сильнее и придают кристаллу форму, свойственную всем образцам этого вещества.

Очень красивые переходные формы наблюдаются в том случае, когда в качестве затравки берётся шар, а раствор попеременно слегка охлаждается и нагревается. При нагревании раствор становится ненасыщенным, и идёт частичное растворение затравки. Охлаждение ведёт к насыщению раствора и росту затравки. Но молекулы оседают при этом по-иному, как бы отдавая предпочтение некоторым местам. Вещество, таким образом, переносится с одних мест шара на другие.

Сначала на поверхности шара появляются маленькие грани в форме кружков. Кружки постепенно увеличиваются и, соприкасаясь друг с другом, сливаются по прямым рёбрам. Шар превращается в многогранник. Затем одни грани обгоняют другие, часть граней зарастает, и кристалл приобретает свойственную ему форму (рис. 37).

Рис. 37. Как кристаллический шар превращается в правильный октаэдр.

При наблюдении за ростом кристаллов поражает основная особенность роста – параллельное перемещение граней. Получается так, что выделяющееся вещество застраивает грань слоями; пока один слой не достроен, следующий строиться не начинает.

На рисунке 38 показана «недостроенная» упаковка атомов. В каком из обозначенных буквами положений прочнее всего будет удерживаться новый атом, пристроившись к кристаллу? Без сомнения, в А, так как здесь он испытывает притяжение соседей с трёх сторон, тогда как в

Б – с двух, а в В – только с одной стороны. Поэтому сначала достраивается столбик, затем вся плоскость, и только потом начинается укладка новой плоскости.

Рис. 38. Как растёт кристалл.

В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы – из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы.

Начнём нагревать какое-нибудь кристаллическое вещество, например каменную соль. До 804° кристаллики каменной соли будут мало изменяться: они лишь незначительно расширяются, и вещество остаётся твёрдым.

Измеритель температуры, помещённый в сосуд с веществом, показывает непрерывный рост температуры при нагревании. При 804° мы обнаружим сразу два новых, связанных между собой явления: вещество начнёт плавиться, и подъём температуры приостановится. Пока всё вещество не превратится в жидкость, температура не изменится; дальнейший подъём температуры – это уже нагревание жидкости. Все кристаллические вещества имеют определённую

температуру плавления. Лёд плавится при 0°, железо – при 1527°, ртуть – при –39° и т.д.

Как мы уже знаем, в каждом кристаллике атомы или молекулы вещества образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний.

Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном. Зная температуру, можно вычислить, с какой средней скоростью движутся частицы вещества. Скорости эти довольно велики – порядка нескольких сот метров в секунду. При нагревании тела, например от нуля до 1000°, скорость частиц возрастает более чем вдвое.

Когда достигнута определённая, достаточно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь энергичными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным – кристалл плавится.

С началом плавления подводимое тепло идёт уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решётки. Поэтому подъём температуры приостанавливается. Последующее нагревание – это увеличение скорости частиц жидкости.

В интересующем нас случае кристаллизации из расплава явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости её частицы замедляют своё хаотическое движение; при достижении определённой, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока всё вещество не закристаллизуется, температура остаётся постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления.

О том, как получить из твердеющего расплава крупные кристаллы, мы расскажем в следующей главе. Это не так просто.

Если не принимать специальных мер, то кристаллизация из расплава начнётся сразу во многих местах. Кристаллики будут расти в виде правильных, свойственных им многогранников совершенно так же, как мы это описывали выше. Однако свободный рост продолжается недолго: увеличиваясь, кристаллики наталкиваются друг на друга, в местах соприкосновения рост прекращается, и затвердевшее тело получает зернистое строение. Каждое зерно – это отдельный кристаллик, которому не удалось принять своей правильной формы.

В зависимости от многих условий и, прежде всего, от быстроты охлаждения твёрдое тело может обладать более или менее крупными зёрнами: чем медленнее охлаждение, тем крупнее зёрна. Размеры зёрен кристаллических тел колеблются от миллионной доли сантиметра до нескольких миллиметров. В большинстве случаев зернистое кристаллическое строение тел можно наблюдать в микроскоп. Твёрдые тела обычно имеют именно такое мелкокристаллическое строение.

Как образуются кристаллы — причины образования, видео выращивания на дому

Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.

Способы и факторы зарождения кристаллов

При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является

давление. Температура и давление – это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.

  1. Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
  2. Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса.
    Первый
    – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
  3. Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).

Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц  других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.

Как вырастить кристалл из соли дома

Можно самостоятельно проводить опыты по выращиванию кристаллов. Предварительно приготовляется измельченная в порошок навеска той или иной соли (квасцы, медный купорос и др.). Навеску насыпать в химически стеклянный или фарфоровый стакан и налить с помощью градуированной мензурки требуемое количество воды. Покрыв круглым (часовым) стеклом стакан, нагрейте его содержимое, чтобы ускорить растворение соли в воде. Затем полученный раствор профильтруйте.

Таблица 1 — Растворимость солей (в граммах) в 100 см3 воды.

Температура, ⁰С

Калиево-алюминиевые квасцы KAl[SiO4]·12H2O Натровая селитра

NaNO3

Сернокислый магний

MgSO4·7H2O

Медный купорос

CuSO4·5H2O

0 3,9 73 76,9 31,6
10 9,5 80,6 93,8 37
20 15,1 88,5 115,9 42,3
30 22 96,6 146,3 48,8
40 30,9 104,9 179,3 56,9

Отфильтрованную жидкость поместите в специальный стакан с широким дном и низкими стенками. В стакане раствор остывает и интенсивно испаряется, чему способствует характерная форма стакана, создающая большую поверхность испарения. В результате охлаждения и испарения получается сначала насыщенный, а затем перенасыщенный раствор (в нем содержится избыток растворенного вещества). При этом в кристаллизаторе начинают выпадать кристаллики. На следующий день (после приготовления раствора) нужно выбрать несколько или один из выпавших кристалликов, слить осторожно раствор в чистый кристаллизатор и поместить туда отобранные кристаллы – «завтраки». «Завтраками» называются твердые частицы, способные вызывать кристаллизацию. Для получения хорошо ограненного (изометричного)  кристалла следует выращивать его на волоске, или нитке-шелковинке. Кристаллы, выращенные на дне сосуда, будучи стеснены в росте, приобретут неправильную форму (сплюснутые, вытянутые). По истечении некоторого срока, когда раствора станет мало, следует приготовить свежий раствор и перенести в него кристалл. Список оборудования для выращивания кристаллов: реактивы, ступка (фарфоровая), весы с разновесами (аптекарские), два стакана (химических или фарфоровых), мензурка, горелка, асбестовая сетка, круглое часовое стекло, стеклянная палочка для размещения раствора, воронка, фильтровальная бумага, штатив для воронки, стакан с широким дном, пинцет, термометр. Удобный материал для получения хорошо образованных кристаллов представляют алюминиевые квасцы. Растворимость квасцов в горячей воде значительно больше, чем в холодной, поэтому мы можем ускорить процесс, охлаждая насыщенный раствор. Растворите квасцы в горячей воде до пределов растворимости; получится насыщенный раствор. Опыт показывает, что в 200 г горячей воды можно растворить 25 г квасцов. На нитках-шелковинках, опущенных в раствор, вырастают кристаллы правильной формы, свойственной квасцам – октаэдры. С нитки удалите мелкие и неправильные кристаллы и оставьте один лучший, который будет постепенно нарастать. Вещество квасцов равномерно оседает на гранях свободно растущего кристалла. При охлаждении насыщенного раствора (75 г хромовых квасцов на 20 г воды) до температуры 11⁰С на дно сосуда выпадают корки мелкозернистых кристаллов. Правильные кристаллы хромовых квасцов в виде октаэдров  фиолетового цвета растут  на нитках, опущенных в раствор. Кристаллы алюминиевых квасцов могут расти в растворе хромовых и наоборот, так как у тех и других одинаковый тип пространственной решетки. Поместите растущий на нитке фиолетовый кристалл хромовых квасцов в насыщенный раствор алюминиевых квасцов – вы получите двухслойный кристалл с фиолетовым внутренним октаэдром и наружным бесцветным.

Наиболее удачный результат получается при выращивании кристаллов медного купороса из раствора, концентрацией 29,2% при охлаждении его до 13,5⁰С. В 200 г воды при подогревании растворите 82,5 г растертого в порошок медного купороса. Раствор пропустите через бумажный фильтр. Спустя 14-15 часов выпадут хорошо образованные кристаллы до 1,5 см в длину. Кроме квасцов и медного купороса, хорошо кристаллизуется двухромовокислый калий. Опыт по самоогранению кристалла: придайте выращенному кристаллу квасцов (обтачиванием напильником) форму шара, снова опустите его в насыщенный маточный раствор и следите за его ростом. Через 1-2 дня вы заметите, что на шарике появляются грани и через неделю вместо шарика снова образуется правильный октаэдр.


Как растут кристаллы | Геологический портал GeoKniga

Автор(ы):Шубников А.В.

Издание:Издательство Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1935 г., 175 стр.

В последние годы наука и промышленность выдвинули огромное количество интереснейших и имеющих огромное практическое значение вопросов, связанных с применением искусственных и естественных кристаллов. Опорные камни всех родов из искусственных кристаллов рубина сотнями миллионов потребляются ежегодно для часовых механизмов, электрических счетчиков, буссолей и всевозможных точных приборов. Рубиновые матрицы употребляются для проталкивания графитовой массы в карандашном производстве и для волочения тончайших проволок. Применение естественных кристаллов кварца широко известно: пьезо-кварцевые пластинки употребляются для стабилизации волн радиостанций, для связи между подводными лодками, лля измерения глубины моря, для устройства многих технических и физических приборов: весов, микрофонов, осциллографов и т. д. Кристаллы кварца употребляются для изготовления призм для спектрографов, клиньев для поляризационных приборов — микроскопов, поляриметров и т. д., для линз и окошек, пропускающих ультрафиолетовые лучи, и для многих других целей.

В последнее время делают попытки применить кварцевые стержни как эталоны длины. Кварцевые мозаики нашли себе применение для „звукового просвечивания* металлов с целью обнаружения в них раковин. Искусственные кристаллы селитры и естественные кристаллы кальцита (исландского шпата) находят себе применение для изготовления николей, являющихся наиболее существенными частями многих приборов: оптических пирометров, поляризационных микроскопов, сахариметров и т. д. Искусственные кристаллы сегнетовой соли, обладающей колоссальной диэлектрической постоянной и пьезоэлектрической константой,, употребляются для конденсаторов, громкоговорителей и многих других целей. Кристаллы турмалина в виде тончайших пластинок входят в радиотехнику ультракоротких волн.. Изделия из кристаллов каменной соли играют существенную роль в ультрафиолетовой оптике и в целом ряде имеющих весьма большое теоретическое значение . физических экспериментов. Исследования с монокристаллами металлов не сходят со страниц научных, и технических журналов Можно без преувеличения сказать, что кристаллу посвящено в настоящее время большинство работ физиков; развитие физики кристаллов идет столь стремительно й успехи ее столь головокружительны, что уже теперь можно утверждать, что в самом непродолжительном времени многие отрасли техники до неузнаваемости изменят свое лицо после того, как кристалл завоюет себе там прочное место.

После сказанного странным кажется тот факт, что да сих пор мы не имеем ни одной сводки, в которой были бы изложены применявшиеся до сих пор методы искусственного выращивания кристаллов, и ни одного учреждения,, которое серьезно занималось бы изучением всех технических Способов получения одиночных кристаллов. Эту назревшую потребность мы пытаемся в известной мере удовлетворить выпуском настоящей книжки, полагая, что она найдет себе читателя не только из среды лиц, имеющих то-или иное отношение к изучению кристаллов — геологов, минералогов, кристаллографов, физиков, химиков, металлографов,— но и из числа тех, кто интересуется применениями кристаллов — радиотехников, прикладных оптиков* точных механиков и т. д.

Математики рассчитали, как вырастить кристаллы с заданными свойствами

Это крайне полезно в решении прикладных задач: в биологии, промышленности, материаловедении. К примеру, для выращивания синтетических драгоценных камней или преобразователей света для установки управляемого термоядерного синтеза; для формирования требуемых свойств высокопрочных сталей. Кроме того, модель можно использовать в биомедицинских приложениях: например, при синтезе инсулина, гемоглобина или белков.

Исследование поддержал Российский научный фонд («Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений​»; 18-19-00008). Одни из последних результатов представлены в Physics Letters A.

«Формулы новые, они обобщают произвольные законы роста, произвольные частоты нуклеации, произвольное начальное распределение кристаллов в системе, — перечисляет руководитель гранта и лаборатории Дмитрий Александров. — Мы описали динамический процесс выращивания кристаллов в пересыщенных растворах. Нашли одну из главных характеристик процесса — функцию распределения частиц по размерам в зависимости от момента времени, что позволяет определить, сколько кристаллов конкретного размера существует в системе в каждый момент времени».

Рост кристаллов математики рассчитали для промежуточной стадии. Всего стадии три. Начальная — когда образуется большое количество жизнеспособных ядер небольших размеров, расположенных далеко друг от друга. Вторая — промежуточная стадия — это быстрый рост уже существующих частиц и зарождение новых; по сути, процесс роста кристалла. Заключительная стадия наступает, когда ядра достигают макроскопических размеров, и процесс зарождения новых частиц останавливается; иными словами, кристаллы практически не растут.

«В кристаллизаторах — установках по выращиванию кристаллов — как правило, процесс протекает на промежуточной стадии. Берут раствор, добавляют туда примесь, кристаллики растут, забирая на себя пересыщение. Их отводят и затем снова добавляют примесь и так далее. Примерно так же растут кристаллы в пещерах, — рассказывает Дмитрий Александров. — При выращивании кристаллов в лабораторных условиях важно, чтобы гранулы кристалла формировались определенного размера и с заданными свойствами. Рассчитать это можно с помощью нашей модели».

В планах математиков — обобщить теорию нуклеации и роста кристаллов в бинарных расплавах, когда усложняется математическая модель процесса (дополнительно учитывается массоперенос растворенного в расплаве примесного компонента). Кроме того, планируется сформулировать более сложную постановку задачи и разработать методы ее решения.

В группу исследователей входят сотрудники лаборатории многомасштабного математического моделирования и кафедры теоретической и математической физики ИЕНиМ УрФУ.

Почему кристаллы растут в предпочтительных направлениях?

Вообще говоря, причина, по которой снежинка образует плоский кристалл с 6-кратной симметрией (в отличие от сферы), заключается в сочетании базовой симметрии (порядка) ледяного кристалла и динамической нестабильности (хаоса), возникающей в результате нелинейные явления затвердевания и образования дендритов в зависимости от изменений температуры и влажности в атмосферных облаках.

Каждая снежинка — это кристалл, который вырастает из центрального ледяного ядра, имеющего «гексагональную» симметрию. Поэтому самая простая «снежинка» — это шестиугольная призма.

Когда молекулы воды «прилипают» к поверхности кристалла, нелинейные комбинации влажности и температуры создают условия, при которых плоские поверхности по своей природе «нестабильны». По мере того как кристалл бросается и вращается в атмосфере, молекулы воды затвердевают на крошечных «выпуклостях», таких как углы шестиугольного кристалла, так что эти «выпуклости» растут быстрее, чем соседние «плоские» области, образуя тем самым длинные «игольчатые» структуры. По мере того как «иглы» становятся больше, любые мелкие неровности вдоль края становятся нестабильными, и вода затвердевает на них, образуя «ветвящиеся» структуры. Тенденция заключается в том, что иглы растут из прямоугольных «граней призмы», а не из шестиугольных граней, что приводит к образованию снежинок с плоской формой, а не «колючего шара». Подробное описание можно найти в этой статье » Физика снежного кристалла «.

Поскольку снежинка очень мала и температура и влажность изменяются относительно медленно, условия затвердевания воды в данной точке кристалла будут одинаковыми в 6-кратных симметричных точках, так что снежинка «растет» симметрично. Таким образом, иглы меньшего размера растут на предыдущих иглах, образуя плоскую пластинку с «древовидными» структурами (дендритами) вокруг ядра гексагональной призмы в 6-кратной симметричной манере.

По словам профессора Яна Стюарта из Уорикского университета, автора «какой формы снежинка?»:

Кристалл льда растет, когда молекулы воды прилипают к его поверхности. Определенные комбинации влажности и температуры создают условия, в которых плоские поверхности являются динамически нестабильными, и этот эффект называется нестабильностью Маллинса-Секерка. В этих условиях, если на плоской поверхности случайно развивается крошечный выступ, он растет быстрее, чем в других близлежащих областях, усиливая неравномерность. Достаточно большая шишка почти плоская и становится неустойчивой по той же причине, поэтому новые более мелкие шишки размножаются. Этот процесс повторного «расщепления кончиков» приводит к появлению папоротникового рисунка, известного как дендрит. Рост дендритов вызывает огромное разнообразие форм, наблюдаемых в снежинках, потому что паттерны ветвления чрезвычайно чувствительны к небольшим изменениям влажности и температуры.

Лекцию на тему математики шаблонов и симметрии, доступную для неспециалистов, можно найти на Youtube. В этом видео (с минуты 3:00 до 15:00) Ян Стюарт дает отличное введение в формирование симметрии внутри снежинки.

Подробное описание неустойчивости Маллинса-Секерка и замечательных явлений, ответственных за формирование этих прекрасных узоров в кристаллах снежинки, можно найти в этой статье Дж . С. Лангера .

(PDF) ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ

Овруцкий А. М., Подолинский В. В. Изучение роста кристаллов нафталина и пара-

дибромбензола в тонких слоях расплавов. — В кн.: Рост кристаллов. Ереван, Изд-во

Ереванск. ун-та, 1975, т. 11, с. 293—298.

Овсиенко Д. Е. Зарождение центров кристаллизации в переохлажденных жидких

металлах. — В кн.: Современные проблемы кристаллографии. М., Наука, 1975,

с.’127—149.

Петров Т. Г. Влияние среды на рост азотнокислого калия из водных растворов.—

Кристаллография, 1964, т. 9, вып. 4, с. 541—545.

Петров Т. Г. Теория информации и проблемы кристаллогенезиса. — В кн.: Про-

цессы роста кристаллов и пленок полупроводников. Новосибирск, 1970, с. 61—72.

Портнов В. Н., Белюстин А. В. Влияние примесей на скорость роста граней

алюмокалиевых квасцов из раствора. — Кристаллография, 1965, т. 10, вып. 3, с. 362—

367. Пунин Ю. О., Ульянова Т. П., Петров Т. Г. Образование макроблочности в кри-

сталлах КС1 при малых пересыщениях. — В кн.: Кристаллография и кри-

сталлохимия. Л., Изд-во ЛГУ, 1973, вып. 2, с. 97—100.

Трейвус Е. Б., Петров Т. Г. Проектирование кристаллических структур с по-

мощью преобразования координат. — Зап. Всесоюз. минерал, о-ва, 1964, ч. 93, сер. 2,

вып. 2, с. 197—203.

Франк Ф. К. Дискуссия. — В кн.: Новые исследования по кристаллографии и

кристаллохимии. М., ИЛ, 1950, сб. 1, с. 140.

Хаджи В. Е. Образование дислокаций в процессе роста кристаллов кварца.—

Минерал, сб. Львовск. геол. о-ва, 1966, № 20, вып. 3, с. 418—423.

Хокарт Р., Матье-Сико А. Ориентированные наросты и стабилизация куби-

ческой (I), тетрагональной (II) и ромбической (III) модификаций нитрата аммония

при обычных температурах. — В кн.: Новые исследования по кристаллографии и

кристаллохимии. М., ИЛ, 1950, сб. 2, с. 28—32.

Чернов А. А., Кузнецов В. А. Кинетика гидротермальной кристаллизации кварца в

различных растворах и гипотеза адсорбционной пленки. — Кристаллография, 1969, т.

14, вып. 5, с. 879—883.

Шабалин К.. В., Инюшкин Г. В. Влияние вращения монокристаллов на скорость

их роста и образование «паразитных» кристалликов. — В кн.: Рост кристаллов. М.,

Наука, 1965, т. 6, с. 385—387.

ЭПР, структура растворов электролитов и электрохимическое генерирование

свободных радикалов / П. А. Загорец, В. И. Ермаков, А. Г.. Атанасянц, В. В. Орлов.

— В кн.: Растворы, расплавы. М., ВИНИТИ, 1975, т. 1, с. 5—63.

Gulzow И. J. Wechselwirkungen zwischen Kristallmorphologie und perma-nenten Sto-

rungen wahrend des Wachstums von Kristallen. — Kristall und Tech-nik, 1966, Bd. 3, H. 1,

S. 411—422.

Peibst H., Noack J. Ober die Wachstumsgeschwindigkeit und Keimbildungs-

hauftigkeit von KG aus der Losung bei hohen Oberschreitungen. — Z. Phys. chem., Leip-

zig, 1962, Bd. 221, N 1/2, S. 115—120.

Stenike V. Losungs- und Wachstumsbehinderung in System KC1 —h30 durch Blocki-

erung mit einer Deckschicht komplexer Cianide. — Z. fur anorg. und allge-meine Chemie,

1962, Bd. 317, H. 3-4, S. 186—203.

К ГЛАВЕ 2

Микроскопический метод изучения фазовых равновесий и кристаллизации / Т. Г.

Петров, Ю. О. Пунин, Е. Б. Трейвус и др. — В кн.: Массовая кристаллизация. М.,

ИРЕА, 1975, вып. 1, с. 9—17.

Review: Crystallisation. — Ind. Eng. Chem., v. 38, N 1, p. 18—19; Warren L., McCa-

be, 1946, v. 40, N 1, p. 11—13; Grove C. S., Gray J. В., 1948, v. 41, p. 22—25; Grove C.

S., Gray J. В., 1949, v. 42, p. 28—31; Grove C. S., Gray J. В., 1950, v. 43, p. 58—62;

Grove C. S., Gray J. В., 1951, v. 44, p. 41—45; Grove C. S., Gray /. В., 1952, v. 45, p. 34—

38; Grove C. S., Gray J. В., 1953, v. 46, p. 75; Grove C. S, Schoen H. M., Palermo I. A.,

1954, v. 47, N 3, pt. II, p. 520—523; Palermo I. A., Grove C. S., Schoen H. M., 1955, v. 48,

N 3, pt. II, p. 486—491; Palermo I. A., Grove C. S., Schoen H. M., 1956, v. 49, p. 470—

475; Palermo 1. A.t Grove C. S., Schoen H. M., 1957, v. 50, p. 430—434; Schoen H. M.,

Grove C. S.t

192

Новая программа предсказывает форму кристаллов, собирая их как Lego — Газета.Ru

Самарские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали универсальный метод, позволяющий моделировать рост кристаллических веществ различной природы. Они предложили рассматривать процесс роста кристалла как сборку из отдельных деталей, каждая из которых крепится в определенном месте конструкции. Этот подход позволил предсказывать форму кристаллов, особенности их структуры и наличие дефектов в зависимости от внешней среды. Статья опубликована в журнале Chemical Science. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Кристаллические вещества часто используются в современных технологиях — квантовой и полупроводниковой электронике и оптике, инфракрасной и вычислительной технике, при создании новых материалов и в других областях. С усложнением техники повышаются требования к свойствам кристаллов (все более сложный химический состав, отсутствие примесей и дефектов в структуре, определенная форма и так далее). Эти параметры можно контролировать, изменяя внешние условия, в которых растут кристаллы — разницу температур, насыщенность и состав раствора или расплава, форму затравки, на которой начинается кристаллизация. Спрогнозировать характеристики будущего кристалла поможет разработка ученых из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева и их коллег из Манчестерского университета.

Исследователи разработали программный пакет, который позволяет моделировать рост, дефекты и особенности строения кристаллов различной природы. Результаты моделирования воспроизводили форму, размер, дефекты разного типа и мельчайшие детали структуры поверхности экспериментально выращенных кристаллов, наблюдаемых учеными. Пакет программ и реализованные в нем методы способны существенно упростить поиск оптимальных условий, при которых получатся кристаллы с заданными физическими свойствами. Ранее самарские ученые предложили описывать рост кристалла как процесс сборки Lego, когда объемные соединения атомов — полиэдры — прикрепляются в те места, где это наиболее энергетически выгодно, в зависимости от уже сформированной структуры.

Программа работает так: задается небольшой исходный фрагмент структуры (затравка), к которому случайным образом присоединяются новые строительные блоки. Часть программы, написанная самарскими учеными, содержит топологическую информацию и позволяет сказать, в каком именно месте растущего кристалла, каким образом и какой именно блок может присоединиться. Как в Lego: эти детали подходят друг к другу, а эти — нет. Дальше вступает в дело термодинамическая часть, которую создавали англичане. Блоки могут присоединяться (рост кристалла) или, наоборот, отсоединяться (растворение) с разной вероятностью, определяемой температурой, энергией взаимодействия блока и поверхности и концентрацией блоков в растворе. Меняя эти параметры, можно изучать, как условия влияют на рост кристалла. Дефекты, связанные с закономерным ростом структуры, или дислокации, задаются искусственно в исходной затравке, дальше можно наблюдать за их развитием. Дефекты, возникающие случайно в процессе роста (например полости), получаются в результате моделирования естественным путем, так как в программе заложена вероятность возникновения «сбоев» роста. Такая информация важна для практического использования: дефекты влияют как негативно, так и позитивно на физические свойства кристалла, а структура поверхности может обеспечивать определенные особенности материала: например, цеолиты за счет своей пористой структуры способны поглощать ионы металлов.

«Программа CrystalGrower, написанная английскими учеными, могла смоделировать любой кристалл, если известны строительные блоки, которые его составляют, а также способ их соединения. Но их программа ничего не говорит о том, какие это блоки для каждого конкретного вещества. Наши же подходы, реализованные в программе ToposPro, позволяют разложить любой кристалл на эти строительные единицы и определить способ их соединения. Если взять в качестве примера конструктор Lego, англичане определили, как можно соединять между собой детали конструктора, какие соединения будут прочными, а какие — нет, но они не знали, какие детали нужно взять, чтобы собрать конкретную модель. А мы определили, какие детали нужны, чтобы собрать самолет, а какие – корабль», — пояснил профессор Владислав Блатов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор химических наук, директор международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению, профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского университета.

За последние несколько лет ученые усовершенствовали свою модель и распространили ее на новые классы веществ. Сейчас модель успешно работает для неорганических ионных соединений (например хлорид натрия, он же поваренная соль), металл-органических координационных соединений, органических молекулярных кристаллов. В дальнейшем ученые планируют протестировать ее эффективность для металлов и сплавов.

Как образуются кристаллы? | Специалист по янтарю

Кристаллы бывают самых красивых форм и цветов, но как они образуются? А какой самый большой кристалл из когда-либо найденных? Заглянем в удивительный мир кристаллографии.

Содержание

Резервное копирование

Определение кристаллов

Прежде чем мы углубимся в чудесный мир кристаллов, мы сначала дадим определение того, что такое кристалл: кристалл — это твердый материал, компоненты которого, такие как атомы, молекулы или ионы, расположены в высокоупорядоченной структуре, образуя кристаллическая решетка, простирающаяся во всех направлениях.Многие кристаллы характеризуются геометрической формой, состоящей из плоских поверхностей с определенной характерной ориентацией.

Резервное копирование

Кристаллография

Научное изучение кристаллов и их образования известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или коагуляцией. Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος (krustallos), что означает и «лед», и «кристалл».

Резервное копирование

Повторение узоров

Большинство минералов находится в кристаллической форме. Каждый кристалл имеет упорядоченный внутренний атомный узор с особым способом закрепления новых атомов в этом узоре и повторения его снова и снова. Форма кристаллов может значительно различаться. Представьте, например, куб (например, пирит) или шестиугольник (например, снежинку). Эти формы отражают внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные вариации.Поэтому кристаллы популярны в ювелирных изделиях.

Резервное копирование

Идеальные кристаллы

Кристаллы идеальной формы встречаются редко. Для идеального роста геометрической формы и плоских поверхностей кристаллам также необходимы идеальные условия для выращивания. Когда, например, много разных кристаллов растут близко друг к другу, они образуют своего рода сплавленную массу без образования кристаллов. Так обстоит дело с такими породами, как гранит, который состоит из множества мелких минеральных кристаллов.Чтобы превратиться в идеальный кристалл, ему нужно много места без конкуренции.

Резервное копирование

Красивые цвета

Внутреннее расположение атомов определяет химические и физические свойства минералов, включая их цвет. Однако свет и излучение могут влиять на это, что может привести к разнообразию цветов. Многие минералы бесцветны в чистом виде, когда излучение или свет придают цвет кристаллу.Кварц в чистом виде бесцветен, но бывает разных цветов. От розового, желтого и коричневого до темно-фиолетового аметиста и их комбинаций. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. Древние греки считали, что прозрачный кварц — это замороженный лед, который не может таять. Самый красочный минерал — флюорит. Эти кристаллы также бесцветны в чистом виде, но сильно реагируют на свет и излучение в процессе своего роста. В некоторых кристаллах можно найти цветные полосы, которые указывают на изменение условий освещения во время формирования.

Резервное копирование

Растущие кристаллы

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», даже если они не живые. В подземных полостях кристаллы растут через атомы, которые соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие из них растут в воде, богатой растворенными минералами. Однако это не условие, кристаллы также могут расти из расплавленной породы или даже из паров. Под воздействием температуры и давления атомы объединяются, образуя удивительные формы кристаллов.Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии веками привлекали ученых к изучению минералов.

Резервное копирование

Симметрия

Симметрия — это регулярный повторяющийся узор деталей, который встречается в природе повсюду. Представьте крылья бабочки, семена и листья подсолнуха или узор снежинки. Минералы не исключение. В кристаллах форма определяется повторяющимися атомными узорами и отражает «грань» кристалла.Вы часто видите характерную симметрию кристалла невооруженным глазом, но если кристалл очень маленький, то лупа или увеличительное стекло — удобный инструмент. Распознать симметричные узоры в кристаллах сложно, но опыт помогает. Чем больше кристаллов вы увидите, тем лучше сможете распознать симметрию. Однако иногда кристалл имеет далеко не идеальную форму и его сложно классифицировать даже специалистам. Поэтому в науке кристаллы определяются по расположению атомов, а не по внешнему виду.

Резервное копирование

Особые свойства кристаллов кварца

Если сжать кристалл кварца, он генерирует небольшой электрический ток. Давление на поверхность кристалла заставляет ионы в кристалле менять положение, нарушая баланс и превращая кристалл в крошечную батарею. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект. Это также работает и наоборот, когда на кристалл кварца подается электрический ток, чтобы он изгибался.Кварцевые часы используют это явление для точного отображения времени.

Резервное копирование

Примеси

Во время образования кристалла могут возникать примеси, что означает, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа. Например, идеальный алмаз должен содержать только атомы углерода, но он также может содержать несколько атомов бора. Эти примеси меняют цвет алмаза на голубой. То же самое и с кристаллом корунда. Тип примеси, присутствующей во время роста кристалла, определяет, говорим ли мы о рубине или сапфире.

Резервное копирование

Самые большие кристаллы в мире

Самые большие кристаллы в мире расположены на 300 метров ниже мексиканского городка Найка. В 2000 году здесь была обнаружена полость размером 10 на 30 метров. Кристаллы селенита, которые здесь встречаются, огромны. Самый большой кристалл имеет длину 12 метров и диаметр 4 метра! Температура постоянно около 58 градусов. Без специального оборудования человек не продержится более 10 минут.Было подсчитано, что возраст кристаллов составляет около 500 000 лет. С помощью специальных насосов полость сохраняется сухой от воды для дальнейшего изучения.

Резервное копирование

Как кристаллы образуются и растут?

Кристалл или кристаллическое твердое тело — это твердый материал, составляющие которого, такие как атомы, молекулы или ионы, расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, которая простирается во всех направлениях.Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских граней с определенными характерными ориентациями.

Научное изучение кристаллов и их образования известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием. Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος (krustallos), означающего одновременно «лед» и «горный хрусталь», от κρύος (kruos), «ледяной холод, мороз».

Большинство минералов встречается в природе в виде кристаллов. Каждый кристалл имеет упорядоченную внутреннюю структуру атомов с особым способом закрепления новых атомов в этой структуре, чтобы повторять ее снова и снова. Форма полученного кристалла, такая как куб (как соль) или шестигранная форма (как снежинка), отражает внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные вариации. Но студенты редко найдут у себя на заднем дворе минеральные кристаллы идеальной формы, которые они видят в музее.Это связано с тем, что для того, чтобы кристаллы легко демонстрировали свою геометрическую форму и плоские поверхности, им необходимы идеальные условия для выращивания и пространство для роста. Когда много разных кристаллов растут рядом друг с другом, они сливаются вместе, образуя конгломерированную массу. Так обстоит дело с большинством горных пород, таких как упомянутый выше гранит, который состоит из множества крошечных минеральных кристаллов. Образцы музейного качества, показанные на изображениях, выросли в просторных помещениях, которые позволяли геометрическим формам формироваться без ограничений.

Внутреннее расположение атомов определяет все химические и физические свойства минералов, включая цвет.Свет взаимодействует с разными атомами, создавая разные цвета. Многие минералы в чистом виде бесцветны; однако примеси атомной структуры вызывают окраску. Кварц, например, обычно бесцветен, но бывает разных цветов от розового до коричневого до темно-фиолетового цвета аметиста, в зависимости от количества и типа примесей в его структуре. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. На самом деле, корень для кристалла происходит от греческого слова krystallos — лед, потому что древние греки считали, что прозрачный кварц — это лед, замороженный настолько сильно, что он не может таять.

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», даже если они не живые. В подземных садах они ветвятся и ощетиниваются, когда триллионы атомов соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие растут из воды, богатой растворенными минералами, но они также растут из расплавленной породы и даже из пара. Под воздействием различных температур и давлений атомы объединяются в удивительное множество кристаллических форм. Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии давно привлекало ученых к изучению минералов.Симметрия — это регулярный повторяющийся узор составных частей. Симметрия присутствует в природе повсюду — парные крылья бабочки, завитки и лепестки подсолнуха, узор снежинки, лапы паука — и минералы не исключение. В кристаллах эти повторяющиеся узоры встречаются в основной атомной структуре и отражают узор граней кристалла. Вы часто можете увидеть характерную симметрию минерального кристалла невооруженным глазом, но если кристалл крошечный, вам может потребоваться рассмотреть его в увеличительное стекло или микроскоп (как будет продемонстрировано в плане урока 2).Поначалу может быть трудно распознать симметричные узоры в кристаллах, но опыт помогает: чем больше образцов вы посмотрите, тем больше симметрии и кристаллов вы узнаете. Однако некоторые образцы не имеют кристаллов правильной формы и их трудно классифицировать даже специалистам.

Кристаллическая структура

Схема расположения атомов в кристаллическом, поликристаллическом и аморфном веществе.

Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, которое называется кристаллической структурой.Кристалл — это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение.

Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с маленьких кристаллов льда, которые растут, пока не сливаются, образуя поликристаллическую структуру. В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых «кристаллитами» или «зернами») представляет собой настоящий кристалл с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, потому что периодический узор нарушается по границам зерен.Большинство макроскопических неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая почти все металлы, керамику, лед, горные породы и т. Д. Твердые тела, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло, называются аморфными твердыми телами, также называемыми стеклообразными, стекловидными или некристаллическими. У них нет периодического порядка, даже микроскопического. Есть явные различия между кристаллическими твердыми телами и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не выделяет скрытую теплоту плавления, а образование кристалла выделяет.

Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своей элементарной ячейкой, небольшой воображаемой коробкой, содержащей один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки уложены в трехмерном пространстве, образуя кристалл.

Симметрия кристалла ограничена требованием, чтобы элементарные ячейки располагались в стопке без зазоров. Существует 219 возможных симметрий кристаллов, называемых кристаллографическими пространственными группами. Они сгруппированы в 7 кристаллических систем, таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, такие как галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, такие как обычный водяной лед).

Хрустальные грани и формы

Кристаллы обычно узнаваемы по форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются обязательными для кристалла — кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим атомным расположением, а не его макроскопической формой, — но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.

Евэдральные кристаллы — это кристаллы с четко выраженными плоскими гранями. Неэдральные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.

Плоские грани (также называемые гранями) идиоморфного кристалла ориентированы определенным образом относительно основного расположения атомов кристалла: они представляют собой плоскости с относительно низким индексом Миллера. Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкая поверхностная энергия). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более грубым и менее стабильным частям поверхности, но труднее прикрепляются к плоским стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и более гладкими, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей.(См. Диаграмму справа.)

Один из старейших методов кристаллографии состоит в измерении трехмерной ориентации граней кристалла и использовании их для определения симметрии основного кристалла.

Внешний вид кристалла — это его видимая внешняя форма. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможные ориентации граней), специфическим химическим составом кристаллов и связью (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими) и условиями, в которых формировался кристалл.

Встречаемость в природе

Скалы

Кристаллы кальцита внутри панциря цистоида Echinosphaerites aurantium (средний ордовик, Эстония). Кредит: Марк А. Уилсон

По объему и весу самые большие концентрации кристаллов на Земле являются частью ее твердой коренной породы. Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год самым большим в мире известным кристаллом природного происхождения является кристалл берилла из Малакиалины, Мадагаскар, длиной 18 м (59 футов) и длиной 3 метра.5 м (11 футов) в диаметре и весом 380 000 кг (840 000 фунтов).

Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, в результате чего возникли большие массы кристаллической породы. Подавляющее большинство магматических пород образовано из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит в первую очередь от условий, при которых они затвердевали. Такие породы, как гранит, которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы вылились на поверхность и очень быстро остыли, и в этой последней группе обычно встречается небольшое количество аморфного или стекловидного вещества.Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мраморы, слюдяные сланцы и кварциты, перекристаллизованы. Это означает, что сначала они были обломочными породами, такими как известняк, сланец и песчаник, и никогда не были ни в расплавленном состоянии, ни полностью в растворе, но условия высокой температуры и давления метаморфизма повлияли на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая перекристаллизацию в твердое состояние.

Другие горные кристаллы образовались в результате выпадения осадков из флюидов, обычно воды, с образованием друзов или кварцевых жил.Эвапориты, такие как галит, гипс и некоторые известняки, выпали из водного раствора, в основном из-за испарения в засушливом климате.

Снежные хлопья Кредит: Wilson Bentley

Ice

Лед на водной основе в виде снега, морского льда и ледников — очень распространенное проявление кристаллического или поликристаллического вещества на Земле. Одиночная снежинка обычно представляет собой монокристалл, а кубик льда — поликристалл.

Органические кристаллы

Многие живые организмы способны производить кристаллы, например кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатит в случае позвоночных.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут осаждаться непосредственно из газа; см. Осаждение тонких пленок и эпитаксия.)

Кристаллизация — сложная и широко изученная область, потому что в зависимости от условий одна жидкость может затвердеть во множество различных возможных форм. Он может образовывать монокристалл, возможно, с различными фазами, стехиометрией, примесями, дефектами и особенностями.Или он может образовывать поликристалл с различными возможными размерами, расположением, ориентацией и фазой зерен. Окончательная форма твердого вещества определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, давление окружающей среды, температура и скорость, с которой изменяются все эти параметры.

Конкретные промышленные методы производства крупных монокристаллов (так называемых булей) включают процесс Чохральского и метод Бриджмена.Могут использоваться другие менее экзотические методы кристаллизации, в зависимости от физических свойств вещества, включая гидротермальный синтез, сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя.

Большие монокристаллы могут быть созданы геологическими процессами. Например, кристаллы селенита размером более 10 метров найдены в Пещере кристаллов в Найке, Мексика. Подробнее о геологическом кристаллообразовании см. Выше.

Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. Выше.И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, такие как протеины антифриза.

Дефекты, примеси и двойникование

Двойниковая группа кристаллов пирита.

В идеальном кристалле каждый атом находится в идеальном, точно повторяющемся узоре. Однако в действительности большинство кристаллических материалов имеют множество кристаллографических дефектов, то есть места, где структура кристалла прерывается. Типы и структура этих дефектов могут сильно влиять на свойства материалов.

Несколько примеров кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое пространство, в которое должен поместиться атом), межузельные дефекты (дополнительный атом, зажатый там, где он не помещается) и дислокации (см. Рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении, поскольку они помогают определять механическую прочность материалов.

Другой распространенный тип кристаллографического дефекта — примесь, означающая, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа.Например, идеальный кристалл алмаза может содержать только атомы углерода, но настоящий кристалл может также содержать несколько атомов бора. Эти примеси бора изменяют цвет алмаза на слегка голубой. Точно так же единственная разница между рубином и сапфиром — это тип примесей, присутствующих в кристалле корунда.

В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью, резко изменяет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, стали возможными в значительной степени благодаря размещению различных полупроводниковых примесей в разных местах по определенным схемам.

Двойникование — это явление где-то между кристаллографическим дефектом и границей зерен. Подобно границе зерен, двойниковая граница имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границ зерен ориентации не случайны, а связаны определенным, зеркальным образом.

Мозаичность — это разброс ориентаций кристаллических плоскостей. Предполагается, что мозаичный кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько смещены друг относительно друга.

Квазикристаллы

Материал гольмий – магний – цинк (Ho – Mg – Zn) образует квазикристаллы

Квазикристалл состоит из массивов атомов, которые упорядочены, но не являются строго периодическими.У них много общих атрибутов с обычными кристаллами, таких как отображение дискретного рисунка при дифракции рентгеновских лучей и способность образовывать формы с гладкими плоскими гранями.

Квазикристаллы наиболее известны своей способностью демонстрировать пятикратную симметрию, что невозможно для обычного периодического кристалла (см. Кристаллографическую теорему об ограничениях).

Международный союз кристаллографии переопределил термин «кристалл», включив в него как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретную дифракционную диаграмму»).

Квазикристаллы, впервые открытые в 1982 г., на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, измеренных на сегодняшний день. Нобелевская премия по химии 2011 г. была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов.

Кристаллография

Кристаллография — это наука об измерении кристаллической структуры (другими словами, расположения атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей.Большое количество известных кристаллических структур хранится в кристаллографических базах данных.

Ссылка:
Википедия: Кристалл
Википедия: Кристаллизация
Википедия: Рост кристаллов
Смитсоновское образование: Минералы и кристаллы
Как растут кристаллы: DOI: 10.1038 / 164303a0, Nature

растущих кристаллов | Центр наномасштабных наук

Выращивание кристаллов Задайте себе вопрос…

Вы когда-нибудь задумывались, как выглядят атомы в материалах вокруг вас? Все ли они выстроены в аккуратные ряды или складываются вместе в классный узор? Как мы можем узнать, нет ли у нас сверхмощного микроскопа?

Один из способов узнать, как устроены атомы, — это выращивать кристаллы вместе с материалом.Для выращивания кристаллов можно использовать многие повседневные материалы, такие как сахар и соль. Кристаллы — это просто структура, в которой все атомы идеально расположены в атомном масштабе. В масштабе, который мы видим, это превращается в очень плавные линии и уникальные формы. Например, если атомы образуют куб с прямыми столбцами и рядами (как каменная соль), полученный кристалл будет кубом с гладкими сторонами.

В этом упражнении вы вырастите несколько разных типов кристаллов из повседневных материалов.Затем вы понаблюдаете за формой кристаллов и используете их, чтобы представить себе, как могут быть расположены атомы. Это занятие может занять до пары недель и идеально подойдет для проекта научной ярмарки!

Материалы
  • Вода дистиллированная
  • Мелкие миски или блюдца
  • Кастрюля для кипятка
  • Ложка для перемешивания
  • 2 прозрачных стакана для питья
  • Пищевой краситель (по желанию)
Материалы для кристаллов (все это не нужно)
  • Соль Эпсома
  • Соль поваренная (неионизированная)
  • Квасцы (находятся в разделе специй)
  • Сода стиральная *
  • Бора

* Стиральная сода находится в прачечной некоторых продуктовых магазинов.В национальных сетевых магазинах его обычно нет, но во многих местных магазинах он есть. Вы можете позвонить по телефону 1-800-524-1328 и узнать, в каких магазинах вашего района можно найти стиральную соду.

Безопасность

Будьте осторожны при кипячении воды. Деятельность Во-первых, вам нужно немного узнать об условиях выращивания кристаллов и почему они растут. Это позволит вам вносить свои собственные изменения в процесс, чтобы получить лучшие кристаллы. Производство кристаллов начинается с насыщенного раствора .Это просто раствор, который больше не может удерживать материал. Например, если вы делаете насыщенный раствор соленой воды, вы должны добавлять соль в воду до тех пор, пока она не перестанет растворяться. В конце концов соль начнет скапливаться на дне емкости, потому что вода больше не может удерживать соль.

Кристаллы растут, когда раствор становится перенасыщенным , что означает, что в воде растворено слишком много соли. Дополнительная соль (или другой материал) принимает форму кристаллов.Чтобы получить перенасыщенный раствор, вы можете либо охладить его, либо дать воде испариться.

Для начала сделайте несколько кристаллов английской соли. Их легко выращивать, и через пару часов вы начнете видеть кристаллы. Начните с одной чашки теплой дистиллированной воды (не кипящей). Начните добавлять соль Эпсома ложкой и помешивать, пока она не растворится. Продолжайте делать это до тех пор, пока не перестанет растворяться больше английской соли (вероятно, это будет около одной чашки). Оставьте смесь на пару минут, пока вся нерастворенная соль не окажется на дне емкости.Медленно слейте раствор в неглубокую миску, но прекратите выливание, прежде чем дойдете до нерастворенной соли. Поставить миску в холодильник на 3 часа. Вы должны увидеть, как некоторые кристаллы начинают расти. На что они похожи? Какой они формы и цвета? Вы только что сделали кристаллы методом охлаждения.

Затем сделайте несколько кристаллов квасцов методом испарения. Опять же, запивая горячей дистиллированной водой. Начните с небольшого количества, подойдет от до ½ чашки. Начните добавлять квасцы ложкой и помешивая, пока они не растворится.Следуйте тому же методу, что и выше, чтобы сделать перенасыщенный раствор и слить раствор, оставив нерастворенные кристаллы. Для выращивания кристаллов используйте маленькое блюдце или тарелку. Это обеспечит максимальную площадь поверхности для имеющегося у вас объема раствора, увеличивая скорость испарения. Дайте ему постоять (не в холодильнике) пару дней. Вы можете увидеть маленькие кристаллы примерно через час после охлаждения раствора, но если нет, не волнуйтесь! Вы увидите, как хрустальный сад начинает расти в течение дня.Осмотрите свои кристаллы. Какой они формы? Насколько велик твой самый большой? Самый маленький? Сколько времени понадобилось для образования первых кристаллов?

Используйте метод испарения, используемый для получения кристаллов квасцов с поваренной солью, сахаром, стиральной содой и бурой. Кристаллы, изображенные справа, представляют собой кристаллы поваренной соли. Иметь терпение! Некоторые материалы могут не образовывать кристаллы пару дней или даже неделю! Вы можете добавить в раствор пищевой краситель, если хотите разноцветных кристаллов. Используйте приведенную ниже таблицу (см. PDF), чтобы записать свои наблюдения.

Зная, что соль имеет кубическую атомную структуру (прямые строки и столбцы), и видя получающиеся кристаллы, которые она формирует, можете ли вы догадаться, каковы атомные структуры других веществ, глядя на кристаллы? Вырастив кристаллы и угадав, как могут выглядеть атомные структуры, зайдите в Интернет и поищите их! Насколько близко вы были?

Расширение деятельности

Попробуйте использовать один из больших кристаллов из ваших садов кристаллов в качестве затравочного кристалла, чтобы вырастить один большой кристалл! Для этого выберите в своем саду один из лучших кристаллов.Например, если вы используете поваренную соль, выберите большой кристалл идеально квадратной формы. Привяжите этот кристалл к концу нейлоновой веревки или лески. Сделайте насыщенный раствор, как описано выше, и налейте его в высокий стакан для питья или стеклянную банку. Другой конец веревки привяжите к карандашу и положите карандаш на верхнюю часть стакана, чтобы затравочный кристалл висел в растворе. Подождите пару дней или недель. A

с раствор становится перенасыщенным, когда вода испаряется, дополнительные молекулы соли добавляются к существующему затравочному кристаллу, и он будет расти! Возможно, вам придется повторить этот процесс, если ваш кристалл перестанет расти, чтобы получить очень большие кристаллы!

Попробуйте поэкспериментировать с процессом для каждого материала.Что произойдет, если вы воспользуетесь более горячей или прохладной водой? Получатся ли кристаллы большего или меньшего размера, если поставить перед испарительной чашей вентилятор (ускорение испарения)? Какие еще переменные вы можете изменить? Запишите всю свою работу.

Резюме

Чтобы вырастить кристаллы, вы должны начать с насыщенного раствора. Когда раствор охлаждается или испаряется, он становится перенасыщенным, что приводит к образованию кристаллов. По мере того, как кристаллы образуются, атомы имеют определенное расположение, в которое они будут оседать.Глядя на более крупный кристалл, вы можете понять, как атомы расположены в атомном масштабе. Используя затравочный кристалл, вы можете выращивать довольно большие кристаллы, поскольку раствор становится перенасыщенным.

Как выращивать кристаллы — Научные заметки и проекты

Снежинки из кристаллов буры

Эти милые снежинки легко сделать и вырастить за одну ночь. Из них получаются отличные праздничные украшения, и их можно хранить годами.

Большой кристалл квасцов

Кристаллы квасцов легко вырастить из простого кулинарного ингредиента.Крупные прозрачные кристаллы напоминают необработанные алмазы.

Кристаллы сахара Выращивание каменных конфет или кристаллов сахара

Большинство кристаллов, которые можно вырастить, выглядят красиво, но их нельзя есть. Самым большим исключением является леденец, состоящий из кристаллов сахара или сахарозы. Вы можете использовать любой сахар, который у вас есть под рукой, к тому же кристаллы легко поддаются окраске и вкусу.

Карбонат кальция (Christophe Delaere) Кристаллы карбоната кальция

Все, что вам нужно, это камень и немного уксуса, чтобы вырастить игольчатые призмы или разветвленные кристаллические папоротники.Чистый минерал бывает прозрачным или белым (арагонит), но вы получите цветные кристаллы, если вырастите кристаллы на камне.

Кристаллы соли (пончо чоба) Как вырастить кристаллы соли

Хотя кристаллы соли можно есть, они не так хороши, как леденцы. Ничего страшного, ведь на кубические кристаллы приятно смотреть! Вы можете использовать любой тип соли, и, возможно, вам понравится изучать различные варианты внешнего вида, которые вы получите, в зависимости от того, что вы используете.Соль не приобретает цвет, как сахар, поэтому ожидайте, что эти кристаллы будут прозрачными или белыми.

Сульфат меди (Stephenb) Синие кристаллы сульфата меди

Чтобы получить ярко-синий цвет этих кристаллов, краситель не нужен. Сульфат меди легко найти, он естественно синий, и из него растут потрясающие кристаллы, похожие на драгоценные камни в форме ромба. Это хороший проект, если вы хотите вырастить большой монокристалл.

Кристаллы Рошельской соли

Кристаллы Рошельской соли — это большие прозрачные кристаллы, вырабатывающие электричество под давлением.Их легко вырастить из пищевой соды и зубного камня или из чистого химического вещества.

Кристаллы висмута (Dschwen) Кристаллы висмута

Для выращивания металлических кристаллов не нужно ничего растворять, и не нужно ждать результатов. Растопи висмут и увидишь радугу!

Кристаллы английской соли (Джейсон D) Кристаллы английской соли

Английская соль нетоксична и недорога. Из него получаются красивые кристаллы, которые легко окрашиваются пищевыми красителями.

Чашка с хрустальными иглами

Вырастите иглы с кристаллами английской соли в холодильнике в течение от нескольких минут до пары часов.

Горячий лед или кристаллы ацетата натрия

Сделайте ацетат натрия из пищевой соды и уксуса и используйте его для приготовления горячего льда.

Имитация кристаллов изумруда

Эти кристаллы моноаммонийфосфата выглядят как изумруды.Контролируйте условия выращивания и цвета, чтобы получить имитацию аметиста, цитрина и аквамарина.

Выращивайте сад кристаллов на древесном угле

Это классический проект кристаллов, в котором вы поливаете кирпич или угольный брикет смесью соли, воронения для стирки и уксуса. Однако вы можете вывести эти кристаллы на новый уровень, сделав сцену из картона. Подкрашивайте кристаллы пищевым красителем или маркером.

Adam Rędzikowski Сделайте кристаллы нитрата калия

Купите нитрат калия или селитру онлайн или как средство для удаления пней в магазине.Как и английская соль, это химическое вещество образует сверкающие кристаллические иглы сразу после охлаждения.

Хромовые квасцы (Ra’ike) Фиолетовые кристаллы хромовых квасцов

Выращивайте натуральные фиолетовые кристаллы хромовых квасцов. Это химическое вещество, которое вы можете приготовить или найти в Интернете, растворяется в сине-зеленом растворе, но при этом образует потрясающие фиолетовые октаэдрические кристаллы. Если вы смешаете обычные квасцы с хромовыми квасцами, вы можете получить кристаллы от лаванды до глубокого аметиста.

Прозрачные кристаллы хлорида кальция

Выращивайте сверкающие шестигранные кристаллы хлорида кальция из химического вещества, которое можно найти в большинстве домов.

Оранжевые кристаллы дихромата калия

Выращивайте ярко-оранжевые кристаллы дихромата калия. Цвет натуральный, не требует красителя.

Пончо Чоба Сине-зеленые кристаллы ацетата меди

Выращивайте природные сине-зеленые кристаллы из ацетата меди. Это химическое вещество, которое вы можете получить, реагируя на уксус и перекись с монетами или медной проволокой, или вы можете найти чистое химическое вещество в Интернете.Эти кристаллы имеют интересную форму и великолепный цвет.

Кристаллы с простой сменой цвета

Свет и температура изменяют цвет этих кристаллов между желтым, зеленым и синим.

Eigenes Foto Сделайте кулон с кристаллами штормового стекла

Это похоже на кольцо настроения, за исключением того, что оно выращивает кристаллы разных форм, а не меняет цвет. Это действительно предсказывает ваше настроение? Наверное, нет, но все равно супер!

Как заставить кристаллы светиться в темноте

Узнайте, как заставить кварц и другие полупрозрачные кристаллы светиться в темноте.Этот метод основан на фосфоресценции, поэтому, когда кристалл подвергается воздействию света, он накапливает энергию и излучает ее в виде света разного цвета. Вы можете заставить кристалл расти всю ночь.

Как вырастить черные кристаллы
Не можете позволить себе черные бриллианты? Выращивайте твердые черные или полупрозрачные черные кристаллы, либо окрашивая жидкость для выращивания кристаллов, либо используя черную основу под прозрачными кристаллами.
Майк Борегар Выращивание кристаллов серы
Изучите два различных метода выращивания кристаллов серы.Эти кристаллы со временем самопроизвольно меняют форму.
Хрустальный цветок Выращивайте кристаллы, чтобы сохранить настоящий цветок

На самом деле, вы также можете сохранить пластиковый или шелковый цветок, но где этот проект действительно сияет в сохранении настоящих цветов. Это может быть цветок с особого события или из вашего сада. Кристаллизация — это способ продлить его жизнь вечно.

Кристаллы кленового сиропа

Эти съедобные кристаллы представляют собой кристаллы сахара, которые растут из кленового сиропа.Вы можете использовать ту же технику для выращивания кристаллов кукурузного сиропа.

Жеода из кристаллов соли Вырастите свою собственную жеоду из кристаллов

В природе требуется тысячи лет, чтобы создать жеоду, но вы можете сделать ее за ночь. Ваша жеода будет состоять из настоящих кристаллов на настоящих минералах, плюс вы можете настроить цвет.

Светящаяся жеода Сделайте светящуюся кристаллическую жеоду

Добавьте простой ингредиент, чтобы превратить обычную кристаллическую жеоду в ту, которая светится в темноте или светится черным светом.

Сердце из кристаллов буры

Выращивайте хрустальные сердца для украшения ко Дню святого Валентина или для подарков друзьям и близким.

Хрустальное яйцо Сделайте хрустальное яйцо

Вырастите кристаллы на поверхности яйца для декоративного пасхального проекта или просто в качестве красивого украшения. Вы можете сначала выдолбить яйцо или вырастить кристаллы на сыром или вареном яйце. Если вы используете поваренную соль для кристаллов, вы можете съесть и хрустальное яйцо.

Выращивание кристаллов на морской звезде

Кристаллизуйте морскую звезду для чтения, чтобы использовать ее для украшения или украшения. Нет морской звезды? Попробуйте ракушку или песочный доллар. Вы можете использовать любую из ряда обычных бытовых химикатов, чтобы добиться эффекта.

Максим Биловицкий Выращивание натуральных красных кристаллов феррицианида калия

Эти прекрасные кристаллы имеют естественный красный цвет. Цианид в химическом веществе связан с молекулой, поэтому он не представляет угрозы ни для образования кристаллов, ни для удаления остатков химического раствора.


Borax Crystal Star

Согните трубку в форме звезды и покройте ее кристаллами, чтобы получился сверкающий орнамент. Вместо того, чтобы окрашивать кристаллы, используйте переливающийся или мерцающий очиститель для труб, чтобы звезда засверкала.

фото: Ude Вырастите затравочный кристалл

Вырастите затравочный кристалл, чтобы использовать его в качестве основы для создания идеального большого монокристалла.

Зеленая каменная конфета Мои кристаллы не растут! Вот как это исправить

Если ваши кристаллы не растут, не сдавайтесь и не выбрасывайте химический раствор.Иногда все, что вам нужно, — это немного больше времени или изменить температуру жидкости. Есть и другие советы, которые помогут сохранить ваши кристаллы или улучшить процедуру, если вы решите начать все сначала.

Как сохранить кристаллы

Вы хотите, чтобы ваши кристаллы прослужили? Узнайте, как сохранить их для демонстрации или использования в украшениях.

Как образуются кристаллы — все, что нужно знать // Tiny Rituals

Как образуются кристаллы

Как образуются кристаллы? Кристаллы образуются в природе, когда молекулы собираются для стабилизации, когда жидкость начинает охлаждаться и затвердевать.Этот процесс называется кристаллизацией и может происходить при затвердевании магмы или при испарении воды из естественной смеси. Многие кристаллы начинаются с малых размеров, но по мере того, как все больше атомов соединяются и создают однородный и повторяющийся узор, кристалл растет. Так в природе образуются кристаллы.

Сверкающие, мерцающие, мягкие и шелковистые или твердые, как кремень — кристаллы бывают тысячи форм и цветов, каждый из которых несет свое уникальное настроение и волшебные элементы. В течение миллионов лет кристаллы появлялись из земли, и соединение с этими драгоценными камнями — прекрасный способ показать нашу поддержку и любовь к матери-природе и приветствовать исцеление и более высокие вибрации в нашей жизни.

Проведя годы, пораженные калейдоскопическим существованием кристаллов, мы хотели поближе взглянуть на прекрасную науку, стоящую за их образованием. Для нас кристаллы — это возвышенный танец между искусством и наукой, реальностью и редкой мечтой, и важно понимать эти великолепные древние дары земли, чтобы мы могли уважать и наслаждаться путешествием, которое эти драгоценные камни предприняли, чтобы сидеть на нашем запястье или в наших руках или занимать то место, которое мы им предоставляем. Мы погрузимся в науку о том, как формируются кристаллы, и во все мельчайшие детали, которые используются при создании этих возвышенных камней.

Что такое кристалл на самом деле?

Произнесите слово «кристалл», и мы сразу упадем в обморок от мысли о сверкающих жеодах и драгоценных камнях, таких как нежно-розовый розовый кварц и удивительный аметист. Но кристаллы в природе встречаются повсюду, и они связаны не только с разноцветными камнями, очищающими наши чакры. Главное, что объединяет кристаллы, — это их кристаллическая структура. Молекулярная структура кристаллов очень хорошо организована и образует решетчатый узор. У каждого атома (или иона) в группе есть свое место, и именно эта повторяющаяся структура помещает его в категорию кристаллов.Это можно найти во всем; от кристалла соли до кристалла сахара, графита, кристалла льда, спрятанного внутри снежинки, и, конечно же, сияющих кристаллов кварца, которые занимают наши алтари.

Мы находим форму кристалла и узор, разбросанные по всей природе — и на самом деле слово кристалл даже происходит от древнегреческого слова Krustallos, которое переводится как лед / кристалл. Большинство минералов, встречающихся в мире природы, находятся в кристаллической форме, и форма также играет роль кристаллов.Есть семь основных форм кристаллов (также известных как решетки) — гексагональные, кубические, тригональные, триклинные, ромбические, моноклинные и тетрагональные. Форма кристалла может быть разной, и различия могут указывать на повторяющийся узор, происходящий с внутренним расположением атомов. Кристаллы идеальной формы сложно найти в природе, так как вам нужны плоские поверхности и идеальные условия для их роста. Внутри кристаллизации существует так много невероятных форм — просто посмотрите на разницу между цветущим гипсом и блочным пиритом.

Как упоминалось ранее, кристаллы образуются при охлаждении жидкости, и молекулы стремятся стабилизироваться, когда жидкость затвердевает и превращается в твердое вещество. Помимо науки, в одном этом утверждении можно найти столько красоты и правды. Идея о том, что атомы реагируют на быстрое изменение, используя свою энергию для сдвига и связывания во что-то сильное и вечное.

Научное исследование кристаллов

Научное изучение различных кристаллов называется кристаллографией.Эта яркая и увлекательная отрасль науки глубоко исследует рост и формирование кристаллов. Ученые в этой области увлечены расположением атомов и молекулярными структурами самых разных материалов и принципами работы атомной архитектуры. Под этим знаменем находятся все мыслимые виды науки — химия, биология, физика, геология и все, что между ними. Короче говоря, кристаллографы изучают секреты кристаллической структуры. Это отличается от минералогии, в которой вместо изучения внутренней структуры и распределения атомов обращается внимание на физические свойства минералов или химические формулы, которые объединяются в определенных камнях.На создание кристаллов может повлиять очень многое — от окружающей среды до температуры и того, как атомы располагаются, что может влиять на свет, различные цвета и текстуру внутри кристалла.

Обычные кристаллы

Обратите внимание на наш браслет с аметистом

Существует так много кристаллов, от обычных красочных до редких. Некоторые из наиболее распространенных кристаллов, которые вы можете распознать, это —

.

Аметист — разновидность кварца, этот фиолетовый, но кварц бывает разных цветов

Кальцит — минерал карбонат кальция

Флюорит — минерал фторид кальция изометрической формы и широкой цветовой гаммы

Гранат — группа силикатных минералов различного химического состава

Подземное создание

Для тех, кто обожает идею о том, что кристаллы рождаются на Земле в течение миллионов лет, кристаллизация, происходящая под землей, очень увлекательна.Глубоко под нашими ногами земная кора — это совершенно новый мир. Некоторые части имеют толщину 3 мили, а другие — 25 миль, которые находятся под дном моря. Под корой находится мантия, которая составляет более 80% объема нашей Земли. Мантия также мега — входящая в толщину около 2000 миль. Мантия состоит из магмы — огненно-красно-оранжевой густой жидкости, которая иногда проталкивается сквозь трещины на земле и превращается в извергающуюся лаву. Эта расплавленная порода содержит смесь минералов.

Место, где встречаются магма и кора, является диким, мощным по энергии и постоянным движением. Части коры отламываются в магму и тают, оказывая ударное воздействие на окружающую магму по мере изменения химического состава. Дно коры, истерзанное и разорванное магмой, полно укромных уголков, трещин и полостей, которые обеспечивают идеальную среду для роста кристаллов. Высокое давление и температура создают сцену, и когда богатые минералами флюиды просачиваются в трещины и трещины корки, чтобы охладиться, начинается кристаллизация.

Конечно, чтобы добраться до места, где драгоценные камни сверкают под нашими ногами, весь этот процесс может занять время, а поскольку наша Земля нестабильна, есть много прерываний, которые могут замедлить процесс кристаллизации.

Как изменяющаяся Земля влияет на развитие кристаллов

В то время как кристаллы заняты ростом в этих полостях и пещеристых пятнах внутри земной коры, окружающая среда далека от спокойствия. Проходы открываются, а затем могут обрушиться по мере того, как земля сдвигается, и это прекращает рост кристаллов.Однако кристалл просто бездействует, и когда происходит еще один сдвиг, который заставляет проход снова открываться, рост может возобновиться еще раз. Этот процесс остановки и запуска может оставить свой след на кристаллах, что приведет к появлению на кристалле зон разного цвета, эффекту двойникования в цветовой композиции, новым слоям, которые не соединяются полностью, а также к нарастанию друг на друга различных минералов.

Образцы кристаллов, состоящих из различных минералов

Когда полость закрывается и открывается снова, в одном кристалле могут образовываться разные минералы.Поскольку среда, в которой происходит рост кристаллов, нестабильна и в ней наблюдаются большие колебания температуры, давления и даже химическое накопление, когда проход закрывается, а затем открывается снова, новые факторы окружающей среды могут вызвать появление совершенно другого минерального кристалла. начать расти поверх существующего материала. Здесь вы получите великолепные образцы многослойных цветов и текстур, таких как арбузный турмалин или флюорит.

Включения

Включения драгоценных камней также могут происходить при открытии и закрытии полостей.Иногда новый кристалл начинает расти на уже установленном камне, а затем процесс роста останавливается. Затем, если среда поддерживает это, старый кристалл начнет расти и по существу поглотит новый кристалл. Два разных минерала также могут начать расти одновременно, но процветать с разной скоростью, что также приводит к тому, что один кристалл догоняет и поглощает другой. Вы можете увидеть это, например, в изумрудах, внутри которых есть кусочки пирита.

Изменения температуры и окружающей среды также могут вызывать примеси некоторых минералов, которые затем кристаллизуются.Это когда основной минерал действует как полость, а примеси кристаллизуются и растут в стенках и пространстве этого минерала. Например, вот так вы получаете рутил, спрятанный внутри кристалла кварца или корунда.

Примеси могут иметь решающее значение в кристаллах. Например, идеальный алмаз будет содержать только атомы углерода (и, возможно, несколько атомов бора), но если будут обнаружены примеси или « неправильный » атом, он может изменить алмаз, и эти примеси могут даже быть одной из единственных вещей, которые разделяют рубин из сапфира.

Фантомы

Еще одно природное явление, которое может произойти, — это фантомы. Призрачный и великолепный, это когда прозрачный кристалл получает новый слой от другого кристалла, растущего над ним. Такая установка может быть довольно редкой, поскольку старый прозрачный кристалл также может продолжать расти и образовывать новый слой кварца, оставляя призрачный или темный призрак другого кристалла, сидящего под поверхностью.

Исцеление переломов

Все, что происходит в этой части ядра Земли, связано с большой драмой.Огонь, энергия, трещины, обрушения — все это создает шумное место. Это также создает проблемы для роста кристаллов и означает, что многие кристаллы в конечном итоге разбиваются или трескаются. Иногда материалы могут проникать в эти трещины и трещины, которые, по сути, излечивают кристалл и снова связывают его. Он создает связующее пространство для кристалла, чтобы он слился и снова срастался. Эти заживляющие трещины, вытравленные на кристалле, геологи также называют отпечатками пальцев.

Геологические процессы и образование драгоценных камней

Изучив секреты, скрытые под землей, геологи довольно хорошо разбираются в том, как образуются драгоценные камни.Это очень полезно для воссоздания определенных условий в лаборатории, чтобы можно было имитировать условия при создании выращенных в лаборатории драгоценных камней. Традиционно для горных пород используются три различных процесса.

  • Магматические породы — эти породы образовались глубоко под землей из-за высоких уровней тепла.
  • Метаморфические горных пород возникают в результате изменений давления и температуры, в результате чего существующие породы превращаются во что-то иное.
  • Осадочные породы — эти породы образуются из отложений наносов.

В современном мире геологи понимают, что есть четыре процесса формирования горных пород.

  • Расплавленная порода и сопутствующие жидкости
  • Образование драгоценных камней в мантии Земли
  • Изменения в окружающей среде
  • Поверхностные воды

Более пристальный взгляд на кварц

Так много всего используется в создании кристаллов, и так много всего происходит под поверхностью. То, что может быть зародышем кристалла, может разветвляться, складываться, растягиваться и расцветать, когда все атомы соединяются и растут.Этот процесс может происходить из-за огня, а также из-за глубины воды, пара газа и пара и расплавленной породы. Некоторым кристаллам для образования требуется как тепло, так и вода, например кварц, который является одним из самых известных и любимых видов кристаллов.

Кварц часто является одним из последних кристаллизующихся минералов, и он как бы заполняет пустоты в пространствах, где образовались другие минералы. При образовании в полостях горных пород он имеет тенденцию к образованию гексагональных кристаллов, но когда образуется глубоко в недрах земли, он будет меньше и иметь более округлые массы.

Кварц часто бесцветен, но его цвет определяется отражением окружающих минералов. Цветные версии кварца получают оттенок от «примесей», спрятанных внутри них. Не обманывайтесь термином «примесь», эти прохладные так называемые загрязнители придают кристаллам особую индивидуальность с точки зрения цвета и текстуры, а также танца тени и света. Например, аметист приобретает свой красивый фиолетовый оттенок из-за включения оксида железа или, возможно, марганца, а цитрин получает свои золотые солнечные оттенки из-за перегрева аметиста.

Еще одним интересным элементом роста кристаллов является отсутствие ограничений на размер монокристалла. Один из самых больших кристаллов в мире находится под мексиканским городом. Огромный кусок селенита имеет длину 12 метров и потрясающий диаметр 4 метра. Считается, что ему полмиллиона лет, что является напоминанием о том, что при наличии достаточного пространства и времени большие кристаллы могут процветать без ограничений.

Последние мысли

Образование кристаллов — это обширный мир и чрезвычайно сложный процесс, потому что одна единственная жидкость имеет, казалось бы, бесконечные возможности того, как она может изменяться и расти.Кристаллы могут возникать по-разному, и все это зависит от самой внутренней среды Земли. Кристаллы — это результат драмы природы и действующих сил энергии. Они рождаются из хаоса и меняются, когда сами потенциальные заказы превращаются во что-то прочное и осязаемое.

Каждый кристалл имеет свою собственную частоту вибрации, и это огромный фактор, способствующий тому, как кристаллы могут помочь очистить блокировки в чакрах и помочь нам повысить наши собственные частоты для достижения более высокого духовного блаженства.Зрелые энергией, стары как время и хранящие секреты вселенной, кристаллы балансируют между наукой и духовностью.

Что вы думаете о том, как образуются кристаллические системы? Считаете ли вы, что наука, лежащая в основе кристаллов, увлекательной, или вы предпочитаете вместо этого придерживаться эмоциональной и духовной стороны? Поделитесь с нами своими мыслями в комментариях.

Растущие качественные кристаллы — Химический факультет Массачусетского технологического института

Согласно старому правилу Garbage In = Garbage Out , кристаллическая структура настолько хороша, насколько хорош кристалл, используемый для сбора данных.Поэтому стоит потратить время на улучшение качества ваших кристаллов. Несмотря на то, что выращивание кристаллов — это больше искусство, чем наука, и удача является важным фактором, есть кое-что, что нужно делать, а кое-чего не делать. В следующих параграфах упоминаются некоторые из наиболее важных. Сначала немного теоретических основ о кристаллизации.

Насыщение и перенасыщение

Теоретически кристаллизация должна начинаться, когда концентрация соединения в растворителе выше, чем произведение растворимости этого соединения.Однако обычно кристаллизация кинетически затруднена, и кристаллы растут только из перенасыщенных растворов. Есть несколько способов достичь этого метастабильного состояния перенасыщения.

Самый простой — это увеличить концентрацию путем испарения растворителя до тех пор, пока не начнется кристаллизация. Этого можно добиться, не закрывая крышку пробирки или колбы очень плотно и просто подождав. Многие кристаллы получают из трубок ЯМР. Трубки для ЯМР обычно закрываются этой маленькой цветной заглушкой в ​​форме бейсболки, которая не слишком тугая.Если его забыть в холодильнике или на лабораторном столе на несколько месяцев, растворитель медленно испаряется из трубки ЯМР, раствор сначала зашивается, затем становится перенасыщенным, и кристаллы растут.

Другой способ получения перенасыщенного раствора заключается в том, что многие соединения лучше растворяются в горячих растворителях, чем в холодных. Горячий раствор, который почти насыщен, может давать кристаллы при комнатной температуре или, при необходимости, ниже. Однако кисты, которые растут при более высокой температуре, часто сдваиваются или демонстрируют статическое расстройство.

Другой способ перенасыщения, часто лучший способ выращивания качественных кристаллов, — это использование бинарных систем растворителей. Вам нужны две жидкости, которые хорошо смешиваются, и ваше соединение должно быть растворимо только в одной из них. Жидкость, в которой растворяется ваше соединение, называется растворителем, другая жидкость — осадителем. Поскольку ваше соединение менее растворимо в смеси двух жидкостей, вы можете выращивать кристаллы, медленно смешивая (не слишком) концентрированный раствор вашего соединения с осадителем.Это может происходить как диффузия жидкость-жидкость, диффузия в газовой фазе или через мембрану (диализ).

Зарождение

Кристаллизации предшествует зародышеобразование, которое происходит либо спонтанно, либо вызвано вибрацией или частицами. Если зародышеобразование начнется слишком быстро, вырастет слишком много слишком мелких кристаллов. На рисунке ниже показана диаграмма равновесия кристаллизации из раствора. Для дифрактонного эксперимента вам понадобится не более одного хорошего монокристалла. Лучший способ вырастить несколько хороших кристаллов, в отличие от большого количества плохих, — это медленно изменять концентрацию в области зародышеобразования, не углубляясь в нее.Образование зародышей (не слишком много) и начальная кристаллизация снизят концентрацию и вернут раствор в область перенасыщения. Здесь растут существующие кристаллы, но не образуются новые зародыши. Вы хотите, чтобы ваша система оставалась там. Это означает, что все изменения в вашей системе должны быть медленными.

Размер Вопросы

Кристаллы дифракционного качества должны быть относительно большими. Может быть, не совсем в масштабе обручального кольца, но от 0,1 до 0,3 мм в каждом измерении — хорошее число.Чтобы вырастить крупные кристаллы, важно избегать множества центров зародышеобразования (см. Выше). Кристаллы, которые растут медленнее, имеют тенденцию быть больше. Для кристаллов, которые были выращены путем медленного охлаждения растворителя: обычно это улучшает качество и размер кристаллов, если раствор медленно нагревают до тех пор, пока почти все кристаллы не растворятся снова, а затем очень медленно охлаждают во второй раз. Это может уменьшить количество получаемых кристаллов и обычно улучшает качество и размер.

Я зря потратил время, теперь время тратит меня зря

Хороший кристалл растет медленно.Хорошие временные рамки для эксперимента по кристаллизации составляют от двух до семи дней. Кристаллы, которые растут в течение нескольких минут, обычно не дифрагируют так хорошо, как могли бы.

Методы кристаллизации

Медленное испарение

Как упоминалось выше, это простейший метод выращивания кристаллов. Приготовьте почти насыщенный раствор вашего соединения в подходящем растворителе, переложите по крайней мере пару миллилитров в чистый контейнер, в идеале с большой поверхностью, и накройте.Однако не накрывайте его слишком плотно (алюминиевая фольга с несколькими перфорациями, похоже, подойдет очень хорошо), так как вы хотите, чтобы растворитель испарился в течение следующих дней. Отложите контейнер в сторону и как можно меньше мешайте эксперименту (помните: вибрация может вызвать зародышеобразование).

  • Преимущества: Easy.
  • Недостатки: Требуется много материала, начинается с (почти) насыщенного раствора, что может привести к слишком сильному зародышеобразованию, что не очень хорошо для чувствительных к воздуху соединений.

Медленное охлаждение

Приготовьте почти насыщенный раствор вашего соединения с температурой кипения выбранного вами растворителя или близкой к ней. Перелейте раствор в чистую емкость и накройте. Поместите емкость в тепловую баню примерно такой же температуры и дайте медленно остыть. Дьюар с горячей водой часто помогает. Разновидностью этого метода является приготовление насыщенного раствора комнатной температуры и установка емкости в холодное место.Например. thf остается жидким при -80 ° C, что позволяет выращивать кристаллы в бане с сухим льдом и ацетоном (или в морозильной камере -80 ° C).

  • Преимущества: Easy, лучше всего работает с только умеренно растворимыми веществами.
  • Недостатки: Требуется много материала, начинается с насыщенного раствора (слишком много мелких кристаллов), обычно происходит при высокой температуре, что может привести к неупорядоченным или двойниковым кристаллам.

Диффузия пара

Для этого метода вам понадобится бинарная система растворителей.Выберите две жидкости, которые хорошо смешиваются. Ваше соединение должно быть относительно хорошо растворимым в жидкости с более высокой температурой кипения — мы называем эту жидкость растворителем — и настолько хорошо, насколько нерастворимым в жидкости с более низкой температурой кипения, которую мы называем осадителем . Приготовьте раствор вашего компунда в небольшом открытом контейнере. Поместите эту емкость в емкость большего размера, содержащую осадок, и хорошо закройте внешнюю емкость. Со временем более летучий осадитель будет диффундировать по газовой фазе в растворитель, что приведет к перенасыщению, зародышеобразованию и, если все пойдет хорошо, к окончательной кристаллизации.Вы можете регулировать скорость диффузии, изменяя температуру.

  • Преимущества: Хорошо работает с небольшими количествами, обычно дает хорошие кристаллы, параметры легко контролировать.
  • Недостатки: Не все так просто, найти два подходящих растворителя может быть сложно.

Диффузия жидкость-жидкость

Как и в случае метода диффузии паров, вам потребуется бинарная система растворителей. В этом случае точки кипения не имеют большого значения, но удельные плотности двух жидкостей должны быть разными.Приготовьте концентрированный раствор вашего компаунда в растворителе и приготовьте осадитель. Перенесите небольшой объем жидкости, имеющей более высокую удельную плотность, в узкую емкость и аккуратно залейте его другой жидкостью. Лучше всего это работает со шприцем и иглой для подкожных инъекций. Со временем два растворителя смешаются, и, если вам повезет, образуются кристаллы. Один из вариантов этого метода — заморозить нижний слой перед добавлением второй жидкости. Это значительно упрощает получение четкого разделения между двумя слоями.

  • Преимущества: Хорошо работает с небольшими количествами, параметры легко контролировать.
  • Недостатки: Немного сложно подобрать два подходящих растворителя.

Сублимация

Сублимация не должна быть предпочтительным методом выращивания кристаллов дифракционного качества. Сублимация обычно происходит при относительно высоких температурах, а это означает, что при образовании кристаллов в системе требуется много энергии. При высокой температуре различия между двумя одинаковыми ориентациями молекул могут стать незначительными, что приводит к двойниковому или статически неупорядоченному кристаллу.Кроме того, кристаллы обычно растут слишком быстро, когда их получают сублимацией, что также может способствовать сплетению или беспорядку.

Конвекция

Конвекция, хотя и несколько экзотическая, может быть хорошим методом выращивания кристаллов высокого качества. Создание температурного градиента в сосуде для кристаллизации путем охлаждения или нагрева его части приводит к медленному и устойчивому потоку в жидкой фазе. Идея состоит в том, что больше вещества растворяется в более горячей части контейнера, перемещается в более холодную область, где оно начинает кристаллизоваться.Кристаллы движутся с потоком, попадая в зону гудка, где полностью или частично растворяются. Те, которые растворяются лишь частично, вырастут в своем следующем путешествии из теплого в холодное и обратно в теплое. Несколько сотен кругов могут сделать кристалл очень хорошего дифракционного качества. Скорость в сосуде пропорциональна градиенту тепла, который не должен быть слишком большим, поскольку слишком быстрая конвекция не оставляет достаточно времени для зародышеобразования.

Имитация конструкции Дэвида Уоткина (Watkin, D.J., J. Appl. Cryst. (1972), 5, 250), Чак Барнс пришел к следующей идее: «Отрежьте кончик пипетки Пастера примерно на один см выше начала сужающейся части, а затем запечатайте маленький конец термосваркой, вы получите хороший дешевый термальный градиентный флакон. Поместите суспензию вашего материала в относительно слабый растворитель во флакон и центрифуги, чтобы набить нерастворенный материал в наконечник. После центрифугирования в наконечнике находится твердый осадок (~ 5 мм), покрытый чистым «плохим» растворителем. Закройте флакон тефлоновой лентой и парафильмом.Я делаю нагреватель из керамических резисторов цилиндрической формы, которые обычно можно купить в магазине электроники. Я нашел несколько зеленых на 100 Ом, они хорошего размера. Поместите только кончик флакона с твердой гранулой в нагреватель так, чтобы флакон находился под углом ~ 45 градусов от вертикали. Подайте напряжение, чтобы получить на резисторе около 50 ° C, и у вас будет хороший температурный градиент в пробирке. Если повезет, вы получите кристаллы, растущие во флаконе. Кажется важным убедиться, что у вас есть хороший температурный градиент во флаконе.Если повезет, вы получите кристаллы, растущие во флаконе. Кажется важным убедиться, что весь аморфный материал упакован … нет порошка там, где вы хотите, чтобы кристаллы росли ». Чак добавляет об этом методе: «Временами он давал мне превосходные кристаллы, а иногда давал превосходные кристаллы (меньший разброс мозаики), даже когда кристаллы были получены в результате испарения».

Как обращаться с кристаллами, когда они у вас есть

Прежде всего: НИКОГДА не удаляйте растворитель ! Часто молекулы растворителя совместно кристаллизуются с вашим соединением, что делает их неотъемлемой частью кристаллической решетки.При удалении маточного раствора из кристаллов кристаллы подвергаются воздействию воздуха (или любого другого газа, который есть в перчаточном ящике), а молекулы летучих растворителей медленно испаряются из кристаллической решетки, оставляя пустые отверстия. Очень маленькие отверстия снижают максимальное разрешение, на которое дифрактирует кристалл, большие отверстия разрушают кристалл.

Не стоит слишком часто менять условия окружающей среды для ваших кристаллов. По возможности оставьте их в покое.

Как образуются кристаллы: теория путей зародышеобразования

Кристаллизацию называют «одним из самых секретных процессов в природе» ( 1 ).Загадка заключается в том, как из строительных блоков формируются структуры с дальним порядком, которые взаимодействуют только со своими локальными соседями. Самый крайний случай — это когда твердые тела образуются из слабых растворов, в которых молекулы начинают широко разделены, так что отсутствует даже локальная структура. Нуклеация в целом и кристаллизация в частности вызывают большой интерес из-за их широкого практического значения во многих биологических и технических контекстах. Разделение жидкой и жидкой фаз теперь признано «лежащим в основе образования нескольких безмембранных компартментов в живых клетках, включая, например, стрессовые гранулы, ядрышко и Р-тельца в цитоплазме» ( 2 ).Кристаллизация играет роль в нескольких патологиях, таких как малярия ( 3 ) и агрегация амилоида, приводящая к болезни Альцгеймера ( 4 , 5 ), в то время как контроль полиморфизма в промышленных процессах, таких как производство фармацевтических препаратов ( 6 ), а на наноуровне, где поверхностные эффекты усиливают полиморфизм ( 7 , 8 ), представляет большой практический интерес.

Одним из наиболее важных открытий недавней работы было открытие неклассических путей кристаллизации.Наивная картина кристаллизации состоит в том, что несколько молекул случайно объединяются и оказываются организованными в кристаллическую форму. Дополнительные молекулы присоединяются одна за другой, постепенно создавая более крупную структуру. Маленькие кластеры нестабильны, потому что большинство молекул находятся вблизи поверхности и не имеют правильного числа соседей, но достаточно большие кластеры стабильны. Та же картина сохраняется и для разделения жидкость-жидкость, за исключением того, что в этом случае кластеры представляют собой неорганизованные капли. Заметный прогресс как в наблюдении процессов кристаллизации — с помощью таких методов, как криогенная просвечивающая электронная микроскопия (крио-ТЕМ) ( 9 , 10 ) и атомной электронной томографии ( 11 ) — так и в моделировании с использованием методов редких событий ( 12, ), было сделано в последние годы, и теперь признано, что процесс достижения кристаллического критического кластера часто намного сложнее, чем предполагалось в наивном сценарии, с несколькими промежуточными фазами, иногда играющими роль в достижении конечного состояния [ см., д.g., ( 12 ) за недавний обзор исследований моделирования и ( 13 ) за последние разработки с водой]. Открытие «двухступенчатого» механизма кристаллизации белков стало важным фактором, пробудившим интерес к этой теме ( 14 , 15 ). С тех пор сообщалось о сложных путях для многих других систем, включая карбонат кальция ( 16 , 17 ), дигидрофосфат калия ( 18 ), полиоксометаллаты ( 10 ) и биомиметические полимеры ( 19 ), назвать несколько.В результате пути зарождения стали в центре внимания современных исследований.

Поэтому удивительно, что не существует фундаментальной теории зародышеобразования, которая могла бы объяснить, а тем более предсказать пути зародышеобразования (а также энергетические барьеры и скорости) из первых принципов. Хотя уже давно существуют практические правила относительно метастабильных промежуточных состояний, такие как правило стадий Оствальда и гипотеза Странски-Тотоманова, они не принимают во внимание кинетику, которая может доминировать при выборе путей ( 20 ).Ниже представлены элементы такой теории, основанные только на потенциале взаимодействия молекул, которые применяются как к разделению жидкость-жидкость, так и к кристаллизации коллоидов и макромолекул в растворах.

Теория

Любая теория зародышеобразования требует двух элементов: во-первых, средства расчета свойств кластеров, таких как их структура и свободная энергия, и во-вторых, динамическое описание флуктуаций. Классическая теория функционала плотности (cDFT) ( 21 , 22 ) давно признана способной предоставить первый элемент.Начиная с новаторской работы Окстоби и Эванса в 1980-х годах ( 23 ), cDFT использовалась для определения структуры и энергии критических кластеров, сначала для зарождения жидких капель из пара, а затем и для кристаллизации. Ранние расчеты включали множество упрощающих предположений, но более поздняя работа продемонстрировала количественное согласие с моделированием ( 24 ). Преимущество cDFT перед альтернативными методами, такими как теория фазового поля (PFC) ( 25 ) и модели диффузного интерфейса, состоит в том, что он, в принципе, является «ab initio», требующим только межатомный потенциал в качестве входных данных, и что он дает количественно точное описание корреляций и структуры на молекулярном уровне.cDFT — это фундаментальная теория, из которой другие можно понимать как приближения ( 22 ).

В реализации cDFT, используемой здесь, локальная плотность каждого химического вещества дискретизируется на кубической вычислительной решетке с шагом решетки, намного меньшим, чем у отдельных молекул. Равновесные локальные плотности определяются путем минимизации функционала от локальных плотностей, что дает как равновесное распределение молекул, так и свободную энергию системы.Теория правильно описывает особенности молекулярного масштаба, такие как упаковка плотных жидкостей слоями у стены. В частности, в то время как однородная жидкость имеет однородную плотность, твердое тело по своей сути неоднородно в молекулярном масштабе, поскольку плотность резко достигает максимума в узлах решетки и достигает очень низких значений между ними. Недавние достижения в cDFT расширили его применимость к сильно неоднородным системам, таким как плотные жидкие капли и твердые кластеры, находящиеся в равновесии на фоне пара низкой плотности (см.рис.1).

Рис. 1 Типичные структуры, полученные из трехмерных расчетов cDFT, как описано в ( 50 ).

На каждом рисунке показана локальная плотность, полученная путем минимизации свободной энергии системы Леннарда-Джонса при пониженной температуре T * = 0,4. Крайний левый рисунок представляет собой срез капли жидкого плотного раствора; центральная фигура — контурное изображение аморфного стеклоподобного кластера; а крайний правый рисунок — контурное изображение гранецентрированного кубического (ГЦК) кластера.Капля демонстрирует упаковку в оболочки, разделенные областями с низкой плотностью, что типично для замкнутых жидкостей. В двух других структурах плотность локализована в «атомах», разделенных областями очень низкой плотности.

Второй элемент, необходимый для описания нуклеации, — это описание флуктуаций ( 26 ). Естественной основой для этого является флуктуирующая гидродинамика (ФГ), которая была создана Ландау и интенсивно изучалась и развивалась. В настоящее время FH является широко используемым инструментом, который применялся к целому ряду вопросов, таких как теория связи мод, стеклование и зародышеобразование, и его основы были заложены в более фундаментальной статистической механике [см.г., ( 27 )]. Основными величинами, используемыми в теории, являются пространственно изменяющиеся локальные плотности каждого вида, а также поля скорости и температуры. t (r) — флуктуирующая локальная плотность это неравновесная величина: локальная плотность cDFT — это усредненное по флуктуациям значение для равновесной системы.t (r) — это локальный белый шум (с корреляциями дельта-функций в пространстве и времени), возникающий при столкновении малых молекул ванны с большими молекулами, и является источником флуктуаций в модели. Важным свойством этой модели является то, что она постоянно сохраняет количество частиц, за исключением, возможно, границ системы. Здесь я сконцентрируюсь на этой простой, но реалистичной модели и оставлю аналогичные разработки с менее строгими предположениями на будущее.

Использование функционалов свободной энергии cDFT в стохастических моделях было подвергнуто сомнению ( 30 ), потому что то, что происходит в типичных выводах стохастических моделей, является крупнозернистой свободной энергией, а не равновесным функционалом cDFT.Разница возникает из-за флуктуаций, явно представленных в стохастической модели флуктуирующей силой, и ожидается, что функционал cDFT является результатом среднего значения флуктуации крупнозернистого функционала. Здесь, как и почти во всех приложениях, функционал свободной энергии понимается как сумма сложного функционала твердых сфер и обработки среднего поля притягивающего хвоста потенциала ( 22 ). Можно ожидать, что для вкладов твердых сфер такое среднее будет иметь небольшой эффект, потому что все корреляции являются короткодействующими.Для систем с дальнодействующими привлекательными хвостами можно ожидать, что описание среднего поля, используемое здесь и во всех аналогичных приложениях, будет более оправданным для крупнозернистых моделей, чем для модели с усредненными флуктуациями, потому что это усреднение как раз и является физическим источником эффекты перенормировки, которые сводят на нет описание среднего поля, например, в критических явлениях. Следовательно, комбинацию функционала свободной энергии твердых сфер cDFT и привлекательного хвоста среднего поля можно было бы утверждать как хорошее предположение о грубой свободной энергии и плохое предположение для функционала cDFT, а не наоборот.

Можно было бы выбрать один из функционалов модели cDFT для использования в стохастической модели и выполнить прямое численное моделирование. Этот подход был недавно использован и является многообещающим методом крупнозернистого моделирования для изучения зародышеобразования ( 31 ). Другая возможность — это дальнейшее грубое зерно путем введения коллективных переменных или параметров порядка. Этот путь исследовался в других местах, где было показано, что можно восстановить классическую теорию нуклеации (CNT) с соответствующими приближениями ( 26 , 32 ).Таким образом, обсуждаемая здесь теория является не альтернативой УНТ, а скорее более фундаментальной теорией, для которой УНТ является приближением. Однако здесь цель состоит в том, чтобы продолжить теоретическое развитие с использованием инструментов теории случайных процессов и сконцентрироваться на пути зародышеобразования как фундаментальном объекте.

Если система начинается как слабый раствор (то есть в парообразном состоянии) и спонтанно зарождается кластер (либо капля плотного раствора, либо кристаллический кластер), то начальная локальная концентрация постоянна во всей системе.Когда кластер присутствует, концентрация высока внутри капли и мала снаружи: разница между состояниями может быть полностью охарактеризована с точки зрения локальной плотности. Для стохастических моделей, таких как использованная здесь, можно дать точное выражение для вероятности следовать по любому заданному пути от некоторого начального распределения плотности, n 0 ( r ), до любого заданного конечного, n T ( r ), и путем поиска пути с максимальной вероятностью можно определить наиболее вероятный путь (MLP), который характеризует переход.Основная идея восходит к Онзагеру и Махлупу ( 33 ), а обобщение произвольных диффузионных процессов было дано Грэмом ( 34 ). Если начальное состояние является однородной материнской фазой, а конечное состояние включает критический (или посткритический) кластер новой фазы, то наиболее вероятным путем нуклеации будет MLP. В общем, определение MLP весьма нетривиально, но важные упрощения имеют место в пределе слабого шума (физически соответствующем, например, e. t (r) (2) заставляет плотность понижаться по градиенту свободной энергии либо до начальной фазы, либо до конечной фазы, в зависимости от направления возмущения.Объединение этих двух частичных путей дает полный MLP. Обратите внимание, однако, что они имеют два очень разных характера: на самом деле система запускается в начальной фазе и затем движется флуктуациями вверх по барьеру свободной энергии, пока не достигнет критического кластера, после чего она продолжает расти до тех пор, пока в новую фазу включается как можно больше материала. Вторая часть, начинающаяся в критическом кластере и растущая, представляет собой только нормальный термодинамически управляемый рост, обусловленный градиентом свободной энергии.Первая часть, однако, движется против градиента свободной энергии флуктуациями, и очень нетривиальный и полезный результат заключается в том, что MLP для этого процесса может быть определен путем падения «назад» вниз по градиенту ( 26 ).

Вместо прямого использования градиентного спуска, т.е. 2, из критических кластеров, настоящая работа использует метод струн ( 36 ), который математически эквивалентен, но предлагает преимущества эффективности и простоты. В частности, он определяет сразу весь путь и особенно полезен, когда есть несколько промежуточных минимумов свободной энергии или когда градиенты свободной энергии слабые — оба из которых будут релевантными ниже.Детали реализации обсуждаются в дополнительном тексте, и здесь только отмечается, что в строковом методе каждый работает с набором плотностей или «изображений», распределенных по всему пути, таким образом аппроксимируя его как набор дискретные точки. Перемещая их согласно формуле. 2 при ограничении сохранения равного расстояния между точками определяется траектория градиентного спуска. Метод требует первоначального предположения о пути, и для этого использовалась простая линейная интерполяция между конечными точками.В настоящих расчетах отправной точкой, то есть начальным изображением, является однородная система с низкой плотностью, а конечной точкой на пути является критический кластер. Расчеты показывают, как система эволюционирует от первого ко второму.

Уместно упомянуть, что отдельные элементы этой теории обсуждались ранее в аналогичных контекстах. Например, в исследовании Луцко ( 24 ) очень похожий метод подталкиваемой эластичной ленты использовался вместе с современным функционалом свободной энергии cDFT для описания зародышеобразования жидкость-жидкость.Однако в этой работе не понималась важность введения реалистичного динамического описания. Точно так же исследования фазового поля, такие как исследования Цю и Цянь ( 37 ) и Бакофена и Фойгта ( 38 , 39 ), используют более простые функционалы свободной энергии и специальную динамику вместе с методом струн. Хотя критические кластеры определены правильно, физическая природа путей неясна из-за абстрактного характера динамики (например, отсутствия локального сохранения массы, когда параметр порядка следует интерпретировать как плотность).Кроме того, исключенные объемные эффекты, которые доминируют в структуре на молекулярном уровне, выходят за рамки этих моделей. В настоящей работе используется сложная фундаментальная модель теории меры для вклада твердых сфер в функционал свободной энергии, которая, как хорошо известно, дает очень точное описание систем твердых сфер, в частности [см., Например, ( 40 ) ] и, в сочетании с моделью среднего поля для притягивающей части потенциала, структуры молекулярного масштаба для более общих потенциалов ( 22 ).

Подходы к кристаллизации, очень близкие по духу к представленному здесь, также в течение некоторого времени изучались в сообществе PFC ( 25 ). Их можно понимать как модели cDFT, которые упрощаются путем расширения функционала свободной энергии F [ n ] до однородного состояния, n 0 , что приводит к двум типам членов ( 41 , 42 ). Первый набор членов принимает форму градиентного расширения, которое усекается в четвертом порядке.Второй набор членов принимает форму разложения по переменной φ ( r ) ≡ ( n ( r ) — n 0 ) / n 0 , хотя это разложение иногда избегают ( 43 ).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *