Para todos os especialistas no campo da cristalografia ou da física do estado sólido, é bastante claro que, no caso de um cristal, estamos lidando com um arranjo ordenado de átomos ou íons no espaço. Em alguns casos, por exemplo em cristais de gelo ou gases solidificados, podemos falar sobre moléculas. Para resumir, ainda falaremos apenas sobre átomos, incluindo ionizados (íons), a menos que algo mais seja especificado.
Portanto, um cristal é um sistema de átomos ordenados no espaço. Eles estão localizados de forma correta e na maioria das vezes de forma a preencher o espaço o mais próximo possível. Ao tentar posicionar as bolas de aço de um rolamento de esferas próximas umas das outras, obtemos um modelo bastante decente da estrutura de cristal e rapidamente nos convencemos de que o número de maneiras pelas quais as bolas podem ser colocadas é limitado. Dependendo de como as linhas atômicas e planos atômicos estão localizados em relação uns aos outros, diferentes tipos de cristais podem ser obtidos. Por sua vez, o tipo de arranjo dos átomos é determinado pela interação entre eles, pela natureza da ligação entre as partículas.
A quebra cuidadosa dos cristais resulta em estruturas incomuns com propriedades interessantes. Primeiro, grandes áreas com uma carga superficial positiva ou negativa aparecem, criando um poderoso campo elétrico, e então se transformam em labirintos com apenas alguns átomos de largura.
Muitas propriedades dos cristais iônicos são devidas à sua estrutura na escala atômica: átomos carregados positivamente e negativamente são atraídos uns aos outros e formam uma forte rede periódica. No entanto, as cargas na superfície do cristal devem ser compensadas. "Se você dividir um cristal com uma rede cúbica ao longo de certas direções, você pode obter cargas de apenas um tipo", explica um dos autores da obra Ulrich Diebold, da Universidade de Viena. "Esta configuração é extremamente instável." Potencialmente, essa camada poderia criar um campo com uma voltagem de milhões de volts em uma amostra minúscula. Os cientistas chamam essa situação de "catástrofe de polarização".
Em um novo estudo, os físicos tentaram entender como exatamente os átomos são reorganizados para evitar uma catástrofe de polarização. "A superfície pode mudar de maneiras diferentes em resposta a uma falha", diz o primeiro autor Martin Setvin. "Os elétrons podem começar a se acumular em certos lugares, a estrutura do cristal pode ser distorcida ou as moléculas do ar podem aderir à superfície, alterando suas propriedades."
Cientistas dividiram cristais de tantalato de potássio KTaO3 em baixas temperaturas e obtiveram clivagens nas quais metade dos átomos da camada com as mesmas cargas permaneciam em um fragmento e a outra em outro. Regiões com íons de mesma carga formavam "ilhas", embora em média a superfície fosse neutra. “No entanto, as ilhas são grandes o suficiente, então a catástrofe de polarização não pode ser completamente evitada - o campo que elas criam é tão grande que muda as propriedades das camadas subjacentes”, disse Setvin.
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Com um ligeiro aumento na temperatura, as ilhas se desintegraram em um labirinto de linhas quebradas, e suas "paredes" tinham apenas um átomo de altura e 4-5 átomos de largura.
“Estruturas semelhantes a labirintos não são apenas belas, mas também potencialmente úteis”, concluiu Diebold. "Isso é exatamente o que você precisa - campos elétricos fortes em escala atômica." Uma das aplicações possíveis, os autores chamam a realização de reações químicas que não ocorrem em outras condições, por exemplo, a divisão da água para obter hidrogênio.
As principais propriedades dos cristais - anisotropia, homogeneidade, capacidade de autocombustão e a presença de um ponto de fusão constante são determinadas por sua estrutura interna.
Anisotropia
Esta propriedade também é chamada de não similaridade. É expresso no fato de que as propriedades físicas dos cristais (dureza, resistência, condutividade térmica, condutividade elétrica, velocidade de propagação da luz) não são as mesmas em diferentes direções. As partículas que formam a estrutura cristalina em direções não paralelas estão espaçadas umas das outras em distâncias diferentes, como resultado as propriedades da substância cristalina em tais direções deveriam ser diferentes. Mica é um exemplo típico de uma substância com uma anisotropia pronunciada. As placas cristalinas desse mineral são facilmente divididas apenas ao longo de planos paralelos à sua frequência de placa. É muito mais difícil dividir placas de mica em direções transversais.
A anisotropia também se manifesta no fato de que, quando um cristal é exposto a qualquer solvente, a taxa das reações químicas é diferente em diferentes direções. Como resultado, cada cristal, ao se dissolver, adquire suas formas características, que são chamadas de figuras de gravura.
Substâncias amorfas são caracterizadas por isotropia (equivalência) - propriedades físicas em todas as direções se manifestam da mesma maneira.
Uniformidade
É expressa no fato de que quaisquer volumes elementares de uma substância cristalina, igualmente orientados no espaço, são absolutamente idênticos em todas as suas propriedades: têm a mesma cor, massa, dureza, etc. assim, todo cristal é um corpo homogêneo, mas ao mesmo tempo anisotrópico.
A uniformidade não é exclusiva dos corpos cristalinos. As formações amorfas sólidas também podem ser homogêneas. Mas corpos amorfos não podem por si próprios assumir uma forma multifacetada.
Capacidade de autolimitação
A habilidade de se auto-encarar é expressa no fato de que qualquer fragmento ou bola transformada de um cristal em um meio apropriado para seu crescimento torna-se coberto com faces características de um dado cristal ao longo do tempo. Este recurso está associado à estrutura cristalina. Uma bola de vidro, por exemplo, não possui esse recurso.
Os cristais da mesma substância podem diferir uns dos outros em tamanho, número de faces, arestas e formato das faces. Depende das condições de formação do cristal. Com crescimento desigual, os cristais são achatados, alongados, etc. Os ângulos entre as faces correspondentes do cristal em crescimento permanecem inalterados. Esta característica dos cristais é conhecida como a lei da constância dos ângulos das facetas. Neste caso, o tamanho e a forma das faces em diferentes cristais da mesma substância, a distância entre eles e até mesmo seu número podem variar, mas os ângulos entre as faces correspondentes em todos os cristais da mesma substância permanecem constantes sob as mesmas condições de pressão e temperatura.
A lei da constância dos ângulos facetados foi estabelecida no final do século 17 pelo cientista dinamarquês Steno (1699) em cristais de brilho de ferro e cristal de rocha; mais tarde, essa lei foi confirmada por M. V. Lomonosov (1749) e o cientista francês Rome de Lille (1783). A lei da constância dos ângulos das facetas é chamada de primeira lei da cristalografia.
A lei da constância dos ângulos das facetas é explicada pelo fato de que todos os cristais de uma substância são idênticos em sua estrutura interna, ou seja, têm a mesma estrutura.
De acordo com essa lei, os cristais de uma determinada substância são caracterizados por seus ângulos específicos. Portanto, medindo os ângulos é possível comprovar que o cristal em estudo pertence a uma ou outra substância. Um dos métodos de diagnóstico de cristal é baseado nisso.
Para medir os ângulos diédricos dos cristais, dispositivos especiais foram inventados - goniômetros.
Ponto de fusão constante
É expresso no fato de que, quando um corpo cristalino é aquecido, a temperatura sobe até um certo limite; com o aquecimento posterior, a substância começa a derreter, e a temperatura permanece constante por algum tempo, já que todo o calor vai para a destruição da estrutura cristalina. A temperatura na qual a fusão começa é chamada de ponto de fusão.
Substâncias amorfas, ao contrário das cristalinas, não têm um ponto de fusão claramente definido. Nas curvas de resfriamento (ou aquecimento) de substâncias cristalinas e amorfas, pode-se ver que no primeiro caso há duas inflexões agudas correspondentes ao início e ao final da cristalização; no caso do resfriamento da substância amorfa, temos uma curva suave. Com base nisso, é fácil distinguir substâncias cristalinas de amorfas.
Força do cristal
O problema da resistência do cristal foi e continua sendo um dos mais importantes na tecnologia moderna. O fato é que os materiais estruturais amplamente utilizados são principalmente ligas de ferro (aço), alumínio (silumin, duralumin), cobre (latão, bronze) e alguns outros metais, e todos eles têm uma estrutura cristalina. No caso dos metais, raramente lidamos com cristais tão regulares e bonitos, que foram discutidos anteriormente. As ligas metálicas possuem a chamada estrutura policristalina, ou seja, são constituídas por grãos individuais - cristais, vários desdobrados uns em relação aos outros.
Passo a passo, a pessoa passou de um material menos durável para outro mais durável, o que levou ao aprimoramento de toda a tecnologia utilizada e à ampliação de suas capacidades. Agora, na luta pela força, só o interesse conta; praticamente tudo o que é possível foi extraído de materiais técnicos, e cada etapa subsequente é dada com dificuldade crescente.
Vinte anos atrás, parecia que, se alguém aprendesse a cultivar cristais de tamanho grande sem defeitos, o problema de resistência seria completamente resolvido e o consumo de metal seria reduzido por um fator de centenas. Infelizmente, essas esperanças não se concretizaram. É muito caro ou impossível cultivar um grande cristal perfeito. Apenas em áreas como a eletrônica você pode pagar por isso. Por exemplo, cristais semicondutores de Ge e Si crescem praticamente sem defeitos. O mesmo são os cristais de rubi para lasers. Quanto aos materiais estruturais, aqui ainda é necessário atingir elevados valores de resistência, seguindo o caminho tradicional.
E mais uma conclusão importante. Acontece que muitas propriedades físicas dos cristais, principalmente sua força, são determinadas não por uma estrutura de cristal ideal, mas por desvios da idealidade - uma estrutura defeituosa. O uso habilidoso de tais defeitos de um cristal permite controlar suas propriedades e adaptá-las aos vários requisitos da tecnologia moderna. Para um físico ou engenheiro, os defeitos são um componente muito importante de um cristal, sem o qual ele praticamente não pode existir. Mas o tópico de defeitos em cristais merece uma discussão mais profunda e abrangente do que é possível neste artigo.
