Kristallid on korrapärase geomeetrilise kujuga tahked kehad. Struktuuri, milles järjestatud osakesed paiknevad, nimetatakse kristallvõreks. Osakeste asukohapunkte, milles nad võnkuvad, nimetatakse kristallvõre sõlmedeks. Kõik need kehad jagunevad monokristallideks ja polükristallideks.
Mis on monokristallid
Üksikristallid on üksikkristallid, mille kristallvõre on selge järjestusega. Tihti on monokristall korrapärase kujuga, kuid see tunnus ei ole kristalli tüübi määramisel kohustuslik. Enamik mineraale on monokristallid.
Väline vorm sõltub aine kasvukiirusest. Aeglase kasvu ja materjali homogeensuse korral on kristallidel õige lõige. Keskmise kiiruse korral lõiget ei hääldata. Suure kristalliseerumiskiirusega kasvavad paljudest üksikkristallidest koosnevad polükristallid.
Klassikalised üksikkristallide näited on teemant, kvarts,topaas. Elektroonikas on erilise tähtsusega monokristallid, millel on pooljuhtide ja dielektrikute omadused. Üksikkristallide sulameid iseloomustab suurenenud kõvadus. Ülipuhastel monokristallidel on samad omadused sõltumata päritolust. Mineraalide keemiline koostis sõltub kasvukiirusest. Mida aeglasem alt kristall kasvab, seda täiuslikum on selle koostis.
Polükristallid
Üksik- ja polükristalle iseloomustab suur molekulaarne interaktsioon. Polükristall koosneb paljudest üksikkristallidest ja on ebakorrapärase kujuga. Mõnikord nimetatakse neid kristalliitideks. Need ilmuvad loodusliku kasvu tulemusena või kasvatatakse kunstlikult. Polükristallid võivad olla sulamid, metallid, keraamika. Peamised omadused koosnevad monokristallide omadustest, kuid suur tähtsus on tera suurusel, nendevahelisel kaugusel ja terade piiridel. Piiride olemasolul muutuvad polükristallide füüsikalised omadused oluliselt, tugevus väheneb.
Polükristallid tekivad kristalliseerumise, kristalsete pulbrite muutumise tulemusena. Need mineraalid on vähem stabiilsed kui üksikkristallid, mille tulemuseks on üksikute terade ebaühtlane kasv.
Polümorfism
Üksikristallid on ained, mis võivad eksisteerida korraga kahes olekus, mis erinevad oma füüsikaliste omaduste poolest. Seda funktsiooni nimetatakse polümorfismiks.
Samal ajal võib aine ühes olekus olla stabiilsem kui teises. Kui keskkonnatingimused muutuvad, võib olukordmuuta.
Polümorfismi on järgmist tüüpi:
- Rekonstruktsioon – lagunemine toimub aatomites ja molekulides.
- Deformatsioon – struktuuri muudetakse. Tekib kokkusurumine või venitamine.
- Shift – mõned struktuuri elemendid muudavad oma asukohta.
Kristalli omadused võivad koostise järsul muutumisel muutuda. Polümorfismi klassikaline näide on süsiniku modifitseerimine. Ühes olekus on see teemant, teises grafiit, erinevate omadustega ained.
Mõned süsivesikute vormid muutuvad kuumutamisel grafiidiks. Omaduste muutused võivad toimuda ilma kristallvõre deformatsioonita. Raua puhul viib mõne komponendi asendamine magnetiliste omaduste kadumiseni.
Kristalli tugevus
Igal kaasaegses tehnoloogias kasutataval materjalil on lõplik tugevus. Nikli, kroomi ja raua sulamil on suurim tugevus. Metallide tugevuse suurendamine parandab sõjalist ja tsiviilvarustust. Suurenenud kulumiskindlus toob kaasa pikema kasutusea. Sel põhjusel on teadlased monokristallide tugevust juba pikka aega uurinud.
Puhtsad monokristallid on ideaalse kristallvõrega kristallid, sisaldavad vähesel hulgal defekte. Defektide arvu vähenemisega suureneb metallide tugevus mitu korda. Samal ajal jääb metalli tihedus peaaegu samaks.
Ideaalse võrega üksikkristallid on vastupidavad mehaanilisele pingele kuni sulamistemperatuurini. Ärge vahetage koosaega. Enamasti on sellistel monokristallidel null dislokatsioon. Kuid see on valikuline tingimus. Tugevus on seletatav asjaoluga, et mikropraod moodustuvad kohtades, kus on kõige rohkem dislokatsioone. Ja nende puudumisel pole pragusid kuskilt tekkida. See tähendab, et monokristall kestab kuni selle tugevuse läve ületamiseni.
Kunstlikud monokristallid
Singlekristallide kasvatamine on teaduse praegusel tasemel võimalik. Metalli töötlemisel saate selle koostist muutmata luua monokristalli, millel on kõrge ohutusvaru.
Üksikristallide tootmiseks on teada 2 meetodit:
- ülikõrgsurve ja metallivalu;
- krüogeenne rõhk.
Esimene meetod on populaarne kergmetallide töötlemisel. Arvestades metalli puhtust ja kasvavat survet, ilmub järk-järgult uus metall, millel on samad omadused, kuid suurem tugevus. Teatud tingimustel on võimalik saada ideaalse võrega monokristall. Lisandite olemasolul on võimalus, et kristallvõre ei ole ideaalne.
Raskmetallides toimub rõhu suurenemisel struktuuri muutumise protsess. Monokristall pole veel välja tulnud, kuid aine omadusi on muutunud.
Krüogeenne valamine põhineb krüogeensete vedelike tootmisel. Magnetvälja mõjul kristalliseerumine ei toimu. Poolkristalliline vorm muutub pärast elektrilist laadimist kristalliks.
Teemantja kvarts
Teemantide omadused põhinevad sellel, et tegemist on aatomkristallvõrega ainega. Aatomitevaheline side määrab teemandi tugevuse. Pidevates tingimustes teemant ei muutu. Vaakumiga kokkupuutel muutub see järk-järgult grafiidiks.
Kristallide suurused erinevad oluliselt. Sünteetiliselt kasvatatud teemantidel on kuubikud ja need erinevad oma kolleegidest. Teemandi omadusi kasutatakse klaasi lõikamiseks.
Kvartskristalle leidub kõikjal. Mineraal on üks levinumaid. Kvarts on tavaliselt värvitu. Kui kivi sees on palju pragusid, siis on see valge. Kui lisatakse muid lisandeid, muudab see värvi.
Kvartskristalle kasutatakse klaasi valmistamisel, ultraheli tekitamisel, elektri-, raadio- ja televisiooniseadmetes. Mõnda sorti kasutatakse ehete valmistamisel.
Üksikristallide struktuur
Tahkes olekus metallidel on kristalne struktuur. Üksikkristallide struktuur on lõputu vahelduvate aatomite jada. Tegelikkuses võib aatomite järjestus olla häiritud termiliste mõjude, mehaaniliste või mitmete muude põhjuste tõttu.
Kristallvõresid leidub kolme tüüpi:
- volframtüüp;
- vasktüüp;
- magneesiumitüüp.
Rakendus
Kunstlik monokristall on võimalus saada uute omadustega materjali. Üksikkristallide kasutusala on väga suur. Kvarts ja sparv loodi looduse poolt, naatriumfluoriid aga kunstlikult.
Monokristallid onoptikas ja elektroonikas kasutatavad materjalid. Kvartsi ja vilgukivi kasutatakse optikas, kuid need on kallid. Kunstlikes tingimustes saate kasvatada monokristalli, mis eristub puhtuse ja tugevuse poolest.
Teemanti kasutatakse seal, kus on vaja suurt tugevust. Kuid seda sünteesitakse eduk alt kunstlikes tingimustes. Kolmemõõtmelisi üksikkristalle kasvatatakse sulamitest.
