10 dejstev o kristalografiji

10 dejstev o kristalografiji

Artyom Oganov,
Profesor Fakultete za zemeljske vede in Fakultete za fiziko in astronomijo Državne univerze v New Yorku
"Trinity Option" št. 15 (84), 2. avgust 2011

  1. Kristalografija je interdisciplinarna znanost o atomski strukturi in lastnostih materialov, neke vrste most med fiziko, kemijo, znanostjo o materialih, geologijo in planetologijo ter biologijo. Ustanovitelj kristalografije je Dane Nikolay Stenon (Niels stensen, 1638-1686), ki je oblikoval zakon stalnosti kotov med obrazi kristalov, ki je postal prvi zakon kristalografije (1669). Stenon je kasneje postal škof, živel v asketskem življenju in ga je kanonizirala katoliška cerkev.
  2. Večina materialov so kristali. Kristal je trdno telo, katerega atomska struktura ima translacijsko periodičnost. Poleg periodičnosti imajo kristali pogosto tudi druge elemente simetrije (aksialne, ravninske in inverzije). Število različnih kristalnih struktur je neskončno, vendar vsi pripadajo 230 simetričnim skupinam, ki jih je leta 1890 prvič izpeljal E. Fedorov (1853-1919).
  3. Struktura kristalov je določena z difrakcijskim pojavom,saj položaj in intenzivnost difrakcijskih žarkov (rentgenski, nevtronski, elektronski, gama žarki) vsebujejo informacije o razporeditvi atomov v strukturi. Prve strukture so rešili U.G. in U.L. Braggie leta 1913, sam fenomen rentgenske difrakcije na kristalih pa je odkril M. von Laue leta 1912. Zdaj je mogoče zanesljivo napovedati strukturo kristalov, na primer z uporabo evolucijskih algoritmov. Kristalografske metode se uporabljajo za določanje strukture biomolekul (DNK, beljakovin itd.).
  4. Z rentgensko difrakcijo lahko določimo podrobnosti razporeditve elektronske gostote v kristalih in analiziramo kemično vez. Nevtronska difrakcija daje informacije o gostoti centrifugiranja. Obe vrsti difrakcije dajejo podatke o obsegu toplotnih premikov atomov in stopnje motnje. Ti podatki se praviloma dobro strinjajo z rezultati kvantno-mehanskih izračunov.

    (aA) Kristalna struktura ledu, ki prikazuje lokacijo molekul H2A. Crystal je značilen po periodičnosti strukture.
    (b) M-carbon, nova sprememba ogljika, katere struktura je bila razumljena le v letih 2006-2009.(A. R. Oganov, Q. Li)

  5. Vrsta kemične vezave in kristalne strukture določajo lastnosti atomov – njihovi polmeri, elektronegativnosti in polarizabilnosti. Te lastnosti so odvisne od okolja atomov v kristalu in so v veliki meri pogojne. Obstaja več sistemov lestvic radii in elektronegativnosti.
  6. Kristal – čeprav je najpogostejša, vendar le ena od znanih oblik trdne snovi z dolgim ​​reda. Znane so tudi nesorazmerne faze (imajo osnovno periodično strukturo, ki jo moti periodični val, tako da v nastali strukturi izgine periodičnost ali pa obstajata dve periodični podstrukturi, katerega časovno obdobje je iracionalno, kar vodi do izgube celotne periodičnosti strukture) in kvazikristalov.
  7. Quasicrystals, posebno stanje snovi z dolgim ​​reda, vendar brez prevodne periodike, so leta 1982 odkrili D. Shechtman. Številni simetrični elementi (osi 5., 7. in višjih naročil) so nezdružljivi s tridimenzionalno periodičnostjo. Poznani kvazikristali z osmi simetrije 5., 8., 10. in 12. naročil. Vsi znani kvazikristali so zlitine, supramolekularni agregati ali agregati koloidnih delcev. Ni znan ionski kvazikristal. (a) Gamma-boron, nova superhardna modifikacija borov, se je začela leta 2007 (Oganov, 2009) in ima edinstven značaj kemične vezave.
    (b) Kristalna struktura nekovinske prozorne modifikacije natrija, predvidena in nato pridobljena pri tlaku več kot 2 milijona atmosfere. Oranžni "oblaki" kažejo področja lokalizacije valenčnih elektronov.
    (v) Tudi lastnost, kot je barva, je na splošno odvisna od smeri, kot je prikazano tukaj za kordierit (Mg, Fe)2Al4Si5O18.
  8. Struktura kristala določa številne njene lastnosti. Za razliko od očal in tekočin imajo lahko kristali številne zanimive lastnosti (feroelektrični, piezoelektrični, dvolomni), njihova lastnost pa je odvisna od smeri. Pri spremembi tlaka in temperature se lahko struktura spremeni (to se imenuje fazni prehod). Fazni prehodi so prve vrste (skokovita sprememba strukture in vseh lastnosti) ali druge vrste (struktura in del lastnosti se gladko spreminjajo, simetrija in nekatere lastnosti se spreminjajo na skok). Fazni prehodi, ki se pojavljajo v zemeljskem plašču, pojasnjujejo dramatične spremembe v lastnostih zemeljskih kamnin z globino, ki so jo zabeležili seizmologi. Tlak v središču Zemlje je 3,64 milijona atmosfer.
  9. Kemija snovi se znatno spremeni pod pritiskom, veliko pa ni popolnoma razumljeno. Zlasti enostavne kovine (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) pod tlakom so izredno zapletene strukture, ki še niso v celoti pojasnjene. Istočasno so dobro razumeti tako presenetljiva dejstva kot metallizacija in prehod kisika in žvepla v stanje superprevodnega materiala in izguba natrija v kovini pod tlakom.
  10. Veliko pozornost raziskovalcev in praktikov privabljajo tudi fotonski kristali – metamateriali, pri katerih se lomni indeks spreminja s frekvenco, ki je primerljiva z valovno dolžino svetlobe. Fotonski kristali imajo lastnosti optičnih filtrov. Primer naravnega fotonskega kristala je opal, ki ga sestavljajo periodično locirane globule amorfnega silicijevega dioksida.

Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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