Кристаллы

. 4  Лымарена   наглядными примерами из мира минералов, завоевал       всеобщее признание.

Дальнейшим шагом в учении о симметрии кристаллов явился опубликованный в 1890 г, гениальный вывод Е. С. Федорова 230 совокупностей элементов симметрии для бесконечно протяженных кристаллических систем с их трансляциями, винтовыми осями и плоскостями скользящего отражения (годом позже со своим выводом 230 пространственных групп выступил немецкий математик Артур Шенфлис). Федоровские группы, соответствующие геометрическим законам расположения атомов в кристаллических структурах, лежат в основе современной структурной кристаллографии. Таким путем после многих затруднений, проб и ошибок учение о симметрии кристаллов достигло своего высшего расцвета

Однако необходимо вернуться к 32 видам конечной кристаллографической симметрии, так как именно они являются основой математического вывода форм, возможных для кристаллов. Сначала придется поговорить о том, как выводятся сами виды симметрии.

При переходе к собственно кристаллическим видам симметрии задача существенно упрощается. Ведь кристаллические тела не могут обладать осями симметрии пятого порядка, а также всеми осями порядка выше шестого. Следовательно, на кристаллах встречаются лишь следующие оси симметрии: Li, L;, L3, L), 1-6. К простым осям следует добавить инверсионные оси тех же порядков.

Рассматривая инверсионные оси первого и второго порядков как центр и плоскость симметрии, получим следующий полный набор элементов симметрии для конечных кристаллических фигур (кристаллических многогранников):

С, Р, L], Lo, L3, Li, Lfi, Lm, Li6-

Перебрав все возможные комбинации перечисленных элементов симметрии, мы и получим 32 комбинации - 32 вида симметрии

Виды симметрии подразделяются на три категории (низшую, среднюю и высшую)  и на семь систем - сингоиий, совпадающих с горизонтальными строчками таблицы.

«Сингония»- по-гречески сходноугольность. Название «триклинная» указывает также по-гречески на три косых учла (система координатных осей для триклиппых кристаллов является целиком косоугольной). «Моноклинная» - один косой угол (в системе координатных осей один угол косой и два прямых). «Ромбическая» сингония обнаруживает часто наличие ромбических сечений в кристаллах. «Тригональная» — треугольная; «тетрагональная» - четырехугольная; «гексагональная» - шестиугольная. Эти названия также связаны с характерными сечениями кристаллических форм. Название «кубическая» сингония происходит от главной формы — куба.

                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Приложение 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Огюст Браве                                             Иоганн Кеплер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Гравюра великого немецкого художника Альбрехта Дюрера

                              Монокристаллы и поликристаллы

(Приложение 2 )

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решётку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней, формой, но этот признак не является обязательным.

Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов. Такие тела называются поликристаллами. В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях.

Область применения кристаллов; современные разработки и перспективы применения новейших технологий в будущем.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда тс же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный, бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались Из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для 
усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов 
применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. ;

 

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   Приложение 2:

                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

синтетические монокристаллы                             Монокристаллы

 

 

                                                                

 

          

                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Синтетические поликристаллы алмазов.         Синтетический поликристалл.

                                    Искусственные кристаллы.

С давних Пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До XX в. такие попытки были безуспешны. По и 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов, были синтезированы изумруды, а в 1955 г. фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе — из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450 °С и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050 °С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.

Интерес к кристаллам дифосфида кадмия вызван перспективой их использования в оптоэлектронной технике.

Известно, что обладает рядом уникальных свойств. В частности, работа датчика температуры основана на свойстве оптически активных кристаллов CdP2 менять свою оптическую активность (cp/d = 678 град/мм при X,- 0,6123 мкм) с изменением температуры. Большое значение термооптического коэффициента (д п/д Т = +60,0 при Л = 0,63 мкм) позволяет использовать CdP2 в качестве высокочувствительного элемента датчиков различных физических величин. Используя кристаллы CdP2, ширина запрещенной зоны, которых выше энергии кванта излучения лазера, но ниже ее удвоенного значения, можно изменить величину обратной связи за счет двухфотонного поглощения света, что позволяет получать световые импульсы с управляемой длительностью и гладкой, почти прямоугольной, формой распределения интенсивности в пространстве и времени.

 

 

 

 

 

Применение жидких кристаллов в устройствах                                      отображения      информации

(Приложение 3)

В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким 
кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли. 

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Немана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представ лялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры

 

 

резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, структура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа мо1 ли были видны образования, похожие па нити, в другом - наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем —  напоминала опечатки пальцев. Возник также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых   веществ?

щ

ч

Время шло, факты о жидких кристаллах накапливались, по не было общего принципа, который позволил бы установить какую либо систему в природе явлениях о жидких кристаллах. Как говорят настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую -- смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов —■ «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Самые «кристаллические» среди жидких кристаллов - смектические. Для смектических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они «понимают» команду «равняйся» и размещаются в стройных рядах, упакованных на смектических плоскостях, ив шеренгах - на нематических, что поясняет Смектическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное -долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться «произведением». Однако эта особенность смектических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смектических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных' осей, поэтому упорядоченность становится «односторонней», а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смектические плоскости отсутствуют, а вот нсматические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет