Микроскопические дефекты порождают идеальные кристаллы
В СПбГУ завершился ежегодный цикл лекций «Многоликая Гео», посвященный популяризации геологических и географических наук. Последнюю в текущем учебном году презентацию «О несовершенстве совершенного и о росте кристаллов» провел кандидат геолого-минералогических наук, ведущий специалист ресурсного центра «Рентгендифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ Игорь Касаткин.
«Может показаться, что в природе наибольшую роль играют крупномасштабные процессы, например, движения литосферных плит, от которых иногда зависит судьба целых государств, пример тому Япония», – начал свою лекцию специалист. «Однако именно микроскопические процессы зачастую дают старт для более крупных явлений», – добавил он.
Атомы в кристаллах организованы максимально упорядоченно и симметрично, в сравнении со всеми другими состояниями вещества. Можно представить, что в пространстве расположены плоские сетки, в узлах которых расположены атомы, а сетки выложены друг на друга в колоссальное количество этажей. «Но почему два одинаковых кристалла, образовавшиеся в одинаковых условиях, в одном и том же месте, тем не менее, всегда будут иметь отличия?» – задал лектор вопрос аудитории. «Ответ кроется в дефектах, нарушающих симметрию в кристалле, что в итоге приводит к появлению макроскопических различий», – объяснил Игорь Касаткин.
В плоских сетках, образованных атомами, примерно каждое сотое место дефектно: это может быть отсутствие атома на своём месте, наличие вместо него атома-примеси или искажение самой геометрии сетки. Всего существует четыре типа дефектов: нульмерные (в которых смещены отдельные атомы), одномерные (смещены цепочки атомов), двухмерные (смещены целые сетки атомов), и трехмерные (объемные инородные объекты встраиваются в структуру). Игорь Касаткин также отметил, что атомы в кристаллической структуре колеблются, а не стоят неподвижно, поэтому дефектам также свойственны колебания, что может приводить к их перескакиванию на соседние позиции, что в итоге приводит к миграции дефектов внутри кристалла.
Возникновение дефектов приводит к появлению у кристаллов новых свойств. Так окраска многих драгоценных и полудрагоценных камней объясняется нульмерными дефектами: насыщенная окраска аметиста и фиолетового флюорита обеспечивается наличием так называемых F-центров (нульмерных дефектов, в которых отрицательно заряженный атом в структуре замещается одиночным электроном). За счёт использования нульмерных дефектов (парных вакансий Шоттке) по которым проходят ионы лития внутри кристаллов оксида кобальта стало возможным создание компактных литий-ионнных аккумуляторов, применяющихся в большинстве современных мобильных устройств.
Одномерные дефекты типа “краевая дислокация” влияют на прочностные свойства кристаллов. Образование скоплений примесей (облаков Коттрелла) вдоль одномерных дефектов в структуре сплава алюминия, который, как и большинство металлов представляет из себя кристаллический агрегат, позволяет удешевить производство корпусов самолетов при сохранении их прочности.
«Однако, пожалуй, самыми важными дефектами для современного строения Земли являются одномерные дефекты типа “винтовая дислокация”, обеспечивающие рост кристаллов при намного меньших энергозатратах, чем в отсутствие каких бы то ни было дефектов. Лишь благодаря повсеместному существованию таких дефектов в природе мы с вами можем ходить по красивой набережной Невы, вымощенной красным гранитом, полным крупных кристаллов, а не по коричневой, однородной, стеклообразной массе», – заключил выступающий.
На лекции были также приведены основные методы промышленного выращивания кристаллов. Так синтетические рубины и сапфиры выращивают путем осаждения раскаленного порошка на специальной подложке (метод Вернейля), кристаллы кварца - методом гидротермальных растворов, а особо чистые кристаллы кремния, являющиеся основой современной микроэлектроники и солнечных батарей, путем вытягивания кристалла из расплава (метод Чохральского). «Создание новых способов выращивания кристаллов позволило разработать методы осаждения белков в условиях невесомости, что дает возможность более точно рассчитать структуру молекулы ДНК», – добавил Игорь Касаткин.
Для изучения свойств кристаллического вещества в современной науке применяется множество методов, вплоть до использования Большого адронного коллайдера. На базе Научного парка СПбГУ структура кристаллов изучается методами рентгеноструктурного и рентгенофазового анализов (представлены в ресурсном центре «Рентгендифракционные методы исследования»), дефекты в кристаллах исследуют с помощью электронного микроскопа (представлен в ресурсном центре «Геомодель»).
Подробнее разобраться в данной тематике, а также заняться самостоятельным выращиванием кристаллов можно в рамках профиля магистерской программы «Кристаллография и кристаллохимия» Института Наук о Земле (направление 05.04.01 «Геология»).