Nanomachines, son!
В последнее время мы много говорим о кристаллах, пришла пора и физику-твердотельщику понудеть про особенности термина и прочие нюансы эти замечательных твердых тел, а заодно я расскажу, что там с нанокристаллами, куда уж я без нано)
Как гласит Википедия, впрочем, любой толковый словарь тоже, слово "кристалл" произошло от греческого κρύσταλλος. На данный момент у него единственный перевод - кристалл, но если копнуть в прошлое, то выяснится, что на древнегреческом это слово обозначало "лед". К этому символу холода мы еще вернемся, а пока отправимся в не такое далекое прошлое.
Знаковым событием для становления теории кристаллов стала Нобелевская премия 1914-го года. В области физики награду забрал Макс фон Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Данная работа установила одновременно два ключевых факта:
1. Рентгеновское излучение - это волна (до гипотезы де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме еще 10 лет);
2. Атомы в кристалле расположены в определенном периодическом порядке.
Как Вы, наверное, уже догадались, именно второе утверждение дало основу для определения кристаллов и отделения их от прочих твердых и не очень тел. Нобелевку 1915 года получили отец и сын Брэгги уже за развитие теории кристаллов на основе их исследований с использованием рентгеновских лучей, и эта фамилия прочно закрепилась в законах и определениях физики кристаллов.
Итак, наличие кристаллической решетки, т.е. упорядоченного расположения атомов, - главный критерий кристалла. Если во всем кристалле одна единая решетка, то его называют монокристаллом. Если решеток несколько (как правило, одинаковые решетки, расположенные под углом друг у другу), то это будет поликристалл. В основном нас окружают именно поликристаллы, ведь любой металлический предмет, например, меч - это поликристалл. Монокристаллы обычно выращивают, больше всего тут человечество преуспело в области полупроводников. Практически каждый микрочип на раннем этапе своего существования был частью монокристалла кремния.
Получается, если атомы упорядочены во всем теле - это монокристалл, если там есть с этим проблемы - это поликристалл?! Почти, но, как известно, всегда есть нюанс. Среди твердых тел затесались ещё аморфные вещества. И вот тут начинается определенная эквилибристика математическими формами и понятиями объема. Недавно у нас уже выходила заметка про укладывание мандаринок в те или иные структуры. Однако если оставить мандарины в связке и подвесить ее и при этом немного утрясти - то мандаринки сами упорядочатся, необязательно идеально в ГЦК или ГПУ, но какой-нибудь порядок будет, просто потому что деваться им некуда. Однако это все работает, когда мандаринок мало (до 13, если быть точным), атомов в веществе намного больше, и хоть они будут толкать друг друга, создавая такие мешки, но каждый такой мешок будет сам по себе. Такая структура обладает "ближним порядком" - когда вокруг отдельных атомов все хорошо и аккуратно, но в целом в структуре хаос, т.е. нет "дальнего порядка".
Так это же поликристалл, скажет внимательный читатель, вот куча решеток, между ними порядка нет, но сами-то они есть. И опять я вынужден рассказать про еще один нюанс. Имя ему - термодинамическая фаза. Дело в том, что даже пара тысяч упорядоченных правильно атомов не будет являться кристаллом. Вот пара миллионов - да, уже можно говорить, но и то не про все вещества, некоторым нужны миллиарды и триллионы атомов. Чтобы кратко объяснить в чем тут дело, вернемся ко льду, правда, совсем в другом состоянии - будем кипятить воду. Как известно, процесс кипячения воды связан с образованием большого количества пузырьков - по сути это шарики новой газообразной фазы в материнской жидкой фазе. Когда вода уже кипит, все пузырики бодро летят вверх и выходят на поверхность. Но если до кипения еще далеко, то они скромно появляются на дне и сидят спокойненько себе, то появляясь, а то снова исчезая. И вот исчезновение пузыриков для нас сейчас самое важное, ибо происходит оно не просто так. Само по себе кипение - это процесс перехода жидкой фазы в газообразную, соответственно, это фазовый переход. Такие фазовые переходы происходят по механизму зародышеобразования - да, каждый пузырик это зародыш будущего пара, в который превратится вся вода, если не выключать чайник (только чайники от этого сгорают, поэтому просто представим). Эти зародыши могут как разрастись и всплыть, так и схлопнуться, все дело в некотором критическом размере - рубеже, через который пузырик должен перерасти, чтобы точно не схлопнуться. Обычно именно этот размер и считают минимальным размером для того, чтобы определить объект как термодинамическую фазу - все, что меньше, не считается.
Соответственно, чтобы наше твердое вещество считалось поликристаллом, необходимо, чтобы каждая его составная часть со своим упорядочением была не меньше критического зародыша. Даже для весьма привередливых веществ это микрометры, которые зачастую не увидеть невооруженным глазом, однако атомов там очень много. Если взять кубик железа со стороной 1 микрометр, то в нем будет около 100 миллиардов атомов. В качестве примера научного описания различия твердого и аморфного вещества приведу монографию Кобеко (Кобеко, П.П. Аморфные вещества: Физико-химические свойства простых и высокомолекулярных аморфных тел / П.П. Кобеко. – М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1952. – 431 с. ), а на рисунке схематичное отличие рентгеновских снимков аморфного тела и кристалла.
Обычно, когда говорят про аморфное вещество, то сразу вспоминают стекло, но на самом деле это очень плохой пример, как уже было у нас показано. Примерно настолько же плохой, как брать воду для объяснения свойств жидкости. Потому что на базовом уровне все хорошо, стекло твердое, но при нагреве легко меняет форму, а не плавится как металл. Вода же течет и принимает форму сосуда. Но стоит поговорить о более конкретных нюансах, то выясняется, что для большинства веществ нормально тонуть в своем расплаве, а лед плавает в воде и ему совершенно ок. Других таких жидкостей практически нет (из простых веществ можно вспомнить только кремний да чугун, хотя последний уже с натяжкой, ибо сталь очень даже тонет). Свойство стекла трескаться и разбиваться на кучу осколков - тоже не типичное свойство аморфного тела, скорее наоборот. Вернемся ко льду, как-никак, кристаллы назвали в честь него. Не будем сейчас лезть в нюансы отличия льда и ледника, про его разнообразие на примере Байкала можете прочитать в нашей другой статье, просто поговорим о том, чем многие занимались зимой на отработке в школе или еще каких-нибудь зимних общественных работах - долбежке льда. Если Вы занимались этим несколько раз, то наверняка заметили, что при морозе лед легко откалывается целыми кусками, щелк да щелк, одно удовольствие. А вот в оттепель долбишь его как дятел в одно место, а толку, считай, нет. Все дело в том, что кристаллический лед нельзя расплавить - при нагреве он сначала станет аморфным, а только потом водой. Вот и при околонулевой температуре на улице в нем нарушается тот самый "дальний порядок", а, значит, и колоться он не будет.
Итого что мы имеем. Чтобы что-то можно было назвать кристаллом, необходимо выполнение трех условий:
1. Оно должно быть твердым;
2. Внутри него должно быть упорядочение атомов;
3. Это упорядочение должно иметь "дальний порядок".
Для простоты вот схема:
Как говорится, в семье не без урода, а вот у кристаллов их аж двое: квазикристаллы и жидкие кристаллы, поэтому скажем пару слов и про них. Начнем с квазикристаллов. Дело в том, что на первый взгляд у них нет какой-либо кристаллической структуры, как и у аморфного тела, отдельный атом окружен некоторой упорядоченной структурой, но у каждого атома она своя. Однако если отдалить свой взгляд, выяснится, что повторяющиеся элементы есть, хотя и расположены совсем не типично для кристаллов. Получается парадоксальная картина, ближнего порядка, считай, нет, а вот дальний есть. Такие структуры похожи на апериодичные мозаики, например, мозаики Пенроуза, и лучше я их покажу, чем буду еще пытаться объяснить, что это такое.
С жидкими кристаллами несколько сложнее. Ну, во-первых, Вы сейчас на них смотрите. Если же нет, и Вы читаете нас с кинескопного или газоплазменного монитора, кидайте пруфы, я хочу это увидеть. Во-вторых, жидкие кристаллы - это не кристаллы на самом деле, а жидкость с кристаллическими свойствами. Точнее с одним свойством, которое отсутствует практически у всех жидкостей, и даже не у всех кристаллов есть, и только у сложных веществ с особыми молекулами может проявляться. Ну и обычной воды, конечно же, почему нет, совершенно ненормальная жидкость... Итак, это свойство - анизотропия, зависимость какого-либо свойства объекта от направления. Самый простой пример - намагниченность, одноименные полюса отталкиваются, но стоит нам развернуть один из магнитов - они сами соединятся, еще и щелкнут при этом. Как все наверняка помнят со школы, такой же фокус есть и у электрических зарядов. Сложные молекулы могут иметь заметное несимметричное распределение электрического заряда по своей поверхности, а, значит, внешним электрическим полем можно их поворачивать. У воды за это отвечают атомы водорода, которые находятся не на противоположных концах, а с одной стороны, вот в заметке их показывали.
Жидкие кристаллы - это маленькие резервуары, в которых находятся большие молекулы, положением которых можно управлять, а от этого положения зависит, какой цвет они пропустят сквозь себя, а какой нет. Это очень грубое пояснение работы ЖК-дисплея, постараюсь как-нибудь потом рассказать поподробнее, но идею, я надеюсь, Вы уловили.
И казалось бы, уже все, сегодня мы заглянули даже на территорию жидкости и квазивеществ, но нет. В заключении к другой заметке автор вспоминает о нанокристаллах, на которых работает современная электроника. Это особая территория «серой морали» физики кристаллов, поскольку все не однозначно. С одной стороны, каждый транзистор в нашем процессоре это идеально упорядоченный набор атомов, монокристалл как он есть. С другой стороны, он куда меньше критического зародыша. И на самом деле ученые до сих пор не пришли к однозначному мнению, что с этим делать, поэтому на данный момент термин «нанокристалл» не означает кристалл наноразмера, а описывает класс нанообъектов, имеющих кристаллическую структуру. Дело в том, что у некоторых таких кристаллов из-за их размера есть проблемы с зонной теорией, теплопроводностью, колебаниями или еще какими-нибудь свойствами, характерными для всех кристаллов. Так что термин есть, а кристалла формально нет.
Ну вот теперь действительно все на сегодня, я рассказал практически (из-за угла выглядывает конденсат Бозе-Эйнштейна и шепчет про псевдокристаллы) про все нюансы современного определения кристаллов, надеюсь, было познавательно и не сильно душно.
Автор: Сергей Васильев.
