6. Как растут кристаллы Еще Стенон писал, что на наружные плоскости ранее ограненного кристалла осаждается новое вещество. Частицы (атомы, ионы, молекулы) из раствора, пара или расплава оседают на гранях кристаллического зародыша, продолжая его рост слой за слоем. Теоретически кристаллизация должна начинаться при перенасыщенности раствора на 30-50%. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые – тридцатые годы нашего столетия. Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенности раствора. Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории с практикой. Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичной кладке: пока недостроен предыдущий ряд, новый не строится. Естественно атому легче осесть на плоскость «зацепившись» за находящийся рядом атом, но, когда ряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться «вновь прибывшему» атому? Считалось, что он отскакивает обратно в среду, из которой выпал. Тогда рост кристалла прекратился бы уже после построения первой грани. Как же происходит на самом деле? В 1948 году английский кристаллограф Франк выдвинул остроумную догадку: Кристалл растет не параллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно винтовой лестнице или спирали. Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все время продвигая вперед одну и ту же ступень. На выходе этой ступеньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная «посадочная площадка» для каждой вновь присоединяющейся частицы. И хитрость здесь в том, что частицы, оседая, присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает, только число оборотов в винтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывно растет. Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалле нарушено правильное чередование атомных слоев: атомные слои не параллельны друг другу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация. Однако, когда Франк рассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г., слушатели с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на грани кристалла должен быть незарастающий выступ, меж тем спокон веков известно, что грани у кристаллов гладкие. И тем не менее Франк оказался прав: на гранях кристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремя годами ранее в 1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что на зеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла имеются спиральные ступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла. Росинки оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскоп ученый и разглядел эти выступы. Найденный им метод был назван «методом росы». Сегодня уже нет сомнений в том, что именно так растут кристаллы из паров, расплавов и из слабо пересыщенных растворов: рост облегчается тем, что в кристалле есть винтовые дислокации и кристалл растет вдоль дислокации, образуя единую винтовую лестницу из атомных плоскостей. 7. Прочность кристаллов Кристалл заполнен дефектами. Как же влияют дефекты на прочность кристаллов? Конечно же дефекты понижают прочность, в сотни, тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, то атомная постройка начнет разрушаться именно в месте слабины, там, где есть дефект. Дефект — дислокация — начинает двигаться по кристаллу. Но не так все просто, по мере того, как растет деформация кристалла, растет и число дефектов в нем. А так как дефекты взаимодействуют друг с другом, то, чем их больше, тем труднее им двигаться в кристалле. Получается парадокс: если есть дефект кристалл — кристалл деформируется и разрушается легче, чем если дефекта нет. А если дефектов слишком много, то кристалл опять становится прочным, и чем больше дефектов, тем он более упорядочивается. Значит, если мы научимся управлять числом и расположением дефектов, мы сможем управлять прочностью материалов. Еще сильнее удалось бы изменить свойства кристаллов, если бы удалось вырастить кристалл совсем без дефектов. Как в стальном каркасе здания, если бы не было ни одной дефектной балки, прочность здания была бы расчетной. Без дефектов кристалл “не хочет” расти. И все же ученым удалось перехитрить природу. Научились выращивать кристаллы, в которых нет, совсем нет, дефектов, или есть один единственный дефект, очень удачно расположенный. Такие идеальные кристаллы удивительно прочны. «Обычное техническое железо выдерживает, не разрушаясь, усилие в 20-30 кг/мм2, самая лучшая конструкционная сталь — 200-300 кг/мм2, а бездефектный кристаллик железа — 1400 кг/мм2. Иначе говоря, бездефектные кристаллы железа прочнее обычного в 40-50 раз». Такие кристаллы научились растить, измерять их свойства и прочность, но эти кристаллы очень и очень малы. Это “нитевидные кристаллы”, или “усы” — волоски диаметром не более 1-2 микрон. Растить такой кристалл очень сложно, а вырастет он чуть потолще — в нем обязательно проявляются дефекты и прочность сразу снижается. Такой усик выдерживает нагрузку значительно большую, чем обычная проволока. Он деформируется упруго, восстанавливает свою форму после деформации, не меняется при высоких температурах. Уже широко применяются нитевидные кристаллы для создания высокопрочных композитных материалов. Композит, или композитный материал — это сплошная основа, металл или полимер пронизанный нитевидными кристаллами. Созданы кристаллизационные установки в которых вытягивают монокристаллические нити сапфира длинной до 30 метров. Кристалл получается такой упругий и гибкий, что его наматывают как нить на катушку. А затем этими гибкими нитями упрочняют основу. Из композитных материалов делают листы для обшивки самолетов и ракет. Человек научился получать материалы, гораздо прочнее природных. Кристаллы из-за их прочности используют и в различных режущих аппаратах, так как кристалл один из самых прочных материалов на Земле. Человек применяет кристаллы почти во всех областях материальной сферы их цена и значение чрезвычайно велики.
