10 faktov o kryštalografii

10 faktov o kryštalografii

Artyom Oganov,
Profesor Fakulty vedy o Zemi a Fakulta fyziky a astronómie Štátnej univerzity v New Yorku
"Trinity Option" №15 (84), 02.08.2011

  1. Kryštalografia je interdisciplinárna veda o atómovej štruktúre a vlastnostiach materiálov, akým je most medzi fyzikou, chémiou, materiálovou vedou, geológiou a planetogéniou a biológiou. Zakladateľom kryštalografie je Dane Nikolay Stenon (Niels stensen, 1638-1686), ktorý formuloval zákon o stálosti uhlov medzi tvárami kryštálov, ktorý sa stal prvým zákonom kryštalografie (1669). Stenon sa neskôr stal biskupom, žil asketickým životom a bol katolíckou cirkvou.
  2. Väčšina materiálov sú kryštály. Kryštál je pevným telom, ktorého atómová štruktúra má periodicitu translácie. Okrem periodicity majú kryštály často iné prvky symetrie (axiálne, rovinné a inverzné). Počet rôznych kryštalických štruktúr je nekonečný, ale všetci patria do 230 skupín symetrie, prvý odvodený v roku 1890 E. S. Fedorovom (1853-1919).
  3. Štruktúra kryštálov sa stanoví difrakčným javom,pretože poloha a intenzita difrakčných lúčov (röntgenové, neutronové, elektrónové, gama lúče) obsahujú informácie o usporiadaní atómov v štruktúre. Prvé štruktúry riešili UG a UL Braggie v roku 1913 a M. von Laue objavil fenomén rôntgenovej difrakcie na kryštáloch. Teraz je tiež možné spoľahlivo predpovedať štruktúru kryštálov, napríklad pomocou evolučných algoritmov. Na stanovenie štruktúry biomolekúl (DNA, proteíny atď.) Sa používajú kryštalografické metódy.
  4. Pomocou rôntgenovej difrakcie je možné určiť podrobnosti distribúcie elektrónovej hustoty v kryštáloch a analyzovať chemickú väzbu. Neutrónová difrakcia poskytuje informácie o hustote odstreďovania. Oba typy difrakcie poskytujú informácie o veľkosti tepelných posunov atómov a stupni porúch. Tieto údaje spravidla sú v dobrej zhode s výsledkami kvantovo-mechanických výpočtov.

    (aA) Kryštálová štruktúra ľadu, ktorá ukazuje umiestnenie molekúl H2A. Kryštál je charakterizovaný periodicitou štruktúry.
    (b) M-uhlík, nová úprava uhlíka, ktorej štruktúra bola chápaná iba v rokoch 2006-2009.(A. R. Oganov, Q. Li)

  5. Typ chemickej väzby a kryštálovej štruktúry sú determinované vlastnosťami atómov – ich polomery, elektronegativita a polarizovateľnosť. Tieto vlastnosti závisia od prostredia atómov v kryštáli a sú do značnej miery podmienené. Existuje niekoľko systémov stupníc polomerov a elektronegativity.
  6. Kryštál – hoci najbežnejšia, ale iba jedna zo známych foriem pevnej hmoty s veľkým rozsahom objednávok. Sú tiež známe neprimerané fázy (majú základnú periodickú štruktúru narušovanú periodickou vlnou, takže periodicita zmizne vo výslednej štruktúre alebo existujú dve periodické subštruktúry, pomer periód je iracionálny, čo vedie k strate celkovej periodicity štruktúry) a kvasikryštály.
  7. Quasikryštály, špeciálny stav hmoty s rozličným poriadkom, ale bez translačnej periodicity, boli objavené v roku 1982 D. Shechtmanom. Niekoľko prvkov symetrie (osi 5., 7. a vyšších rádov) je nezlučiteľné s trojrozmernou periodicitou. Známe quasikryštály s osami symetrie z 5., 8., 10. a 12. poriadku. Všetky známe kvasikryštály sú zliatiny, supramolekulové agregáty alebo agregáty koloidných častíc. Nie je známy ani jediný kvasikrystal. (a) Gamma-boron, nová superhrdina modifikácie bóru, ktorá bola otvorená v roku 2007 (Oganov, 2009) a má jedinečnú povahu chemickej väzby.
    (b) Kryštálová štruktúra nekovovej transparentnej modifikácie sodíka, predpovedaná a potom získaná pri tlaku nad 2 milióny atmosfér. Oranžové "mraky" ukazujú oblasti lokalizácie valenčných elektrónov.
    (v) Dokonca aj vlastnosť, ako je farba, všeobecne závisí od smeru, ako je znázornené pre kordierit (Mg, Fe)2Al4si5O18.
  8. Štruktúra kryštálu určuje mnohé z jeho vlastností. Na rozdiel od okuliarov a kvapalín môžu mať kryštály niekoľko zaujímavých vlastností (feroelektrická, piezoelektrická, dvojfarebná) a ich vlastnosti závisia od smeru. Pri zmene tlaku a teploty sa štruktúra môže zmeniť (to sa nazýva fázový prechod). Fázové prechody sú prvého druhu (skoková zmena v štruktúre a všetky vlastnosti) alebo druhého druhu (štruktúra a časť vlastností sa mení plynule a symetria a niektoré vlastnosti sa menia skokovo). Fázové prechody vyskytujúce sa v plášti Zeme vysvetľujú dramatické zmeny v vlastnostiach zemských hornín s hĺbkou zaznamenanou seismológmi. Tlak v strede Zeme je 3,64 milióna atmosfér.
  9. Chémia látky sa podstatne mení pod tlakom a veľa nie je úplne pochopené. Najmä jednoduché kovy (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) pod tlakom tvoria mimoriadne zložité štruktúry, ktoré ešte nie sú úplne vysvetlené. Zároveň sú dobre známe také prekvapujúce fakty ako metalizácia a prechod kyslíka a síry do supravodivého stavu a strata sodíka kovu pod tlakom.
  10. Veľkú pozornosť výskumníkov a praktizujúcich priťahujú aj fotonické kryštály – metamateriály, v ktorých sa index lomu mení s frekvenciou porovnateľnou s vlnovou dĺžkou svetla. Fotonické kryštály majú vlastnosti optických filtrov. Príkladom prírodného fotonického kryštálu je opál, pozostávajúci z periodicky umiestnených guľôčok amorfného kremíka.

Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: