Кристаллография

Кварцевый ойсан

Кристаллогра́фия — нау­ка об об­ра­зо­ва­нии и вы­ра­щи­ва­нии кри­стал­лов, об их строе­нии, сим­мет­рии, хи­мическом со­ста­ве и физических свой­ст­вах. Важным сти­му­лом раз­ви­тия кристаллографии являлись мно­го­численные при­ме­не­ния кри­стал­лов в нау­ке, тех­ни­ке и юве­лир­ной промышленности.

История

Развитие кристаллографии подразделяют на три этапа: эмпирический (собирательный), теоретический (объяснительный), современный (прогностический). Первые кристаллографические наблюдения относятся к античным временам. В Древней Греции предприняты первые попытки описания кристаллов с акцентом на их форму. Этому способствовало создание геометрии, пяти платоновых тел и множества многогранников.

В дальнейшем кристаллография развивалась в рамках минералогии в составе единого геологического научного направления. При этом она являлась исключительно прикладной дисциплиной, так как, по утверждению Рене Гаюи 1974 году, являлась наукой о законах огранения кристаллов Иоганна Кеплера, создавшего в 1611 году трактат «О шестиугольных снежинках», считают предшественником структурной кристаллографии.

Историю кристаллографии принято отсчитывать с 1669 года, когда открыты:

• закон постоянства двойных углов в кристаллах (датский учёный Нильс Стенсен);
• явление двойного преломления света в кристаллах исландского шпата (датский учёный Расмус Бартолин).

В 1783 году французский учёный Рене Жюст Гаюи обосновал общую теорию строения кристаллов. В 1813 году английский химик Уильям Волластон ввёл понятие кристаллической решётки. В 1866 году эти представления развиты французом Огюстом Браве, доказавшим существование лишь четырнадцати элементарных ячеек в мире кристаллов. В 1831 году работы Иогана Гесселя позволили теоретически вывести 32 класса симметрии кристаллов, что привело к разработке системы классификации кристаллов.

Начало современному развитию кристаллографии и минералогии положили работы Евграфа Фёдорова, с чьим именем связана целая эпоха в кристаллографии и кристаллооптике. В 1890 году Евграф Степанович чисто математически установил 230 возможных пространственных групп или способов расположения атомов в кристаллах. Практически открытие подтверждено лишь спустя 22 года после открытия в 1912 году рентгеновских лучей. Фёдоров изобрёл теодолитный гониометр и универсальный столик к микроскопу для точных кристаллооптических исследований. Он создал новое направление исследований — кристаллохимический анализ, дающий возможность по внешней форме кристалла определить его химический состав.

Современный этап кристаллографии характеризуется качественным переходом к новым принципам научных исследований. Происходит переход от кристаллов к неструктурированным средам и живым системам, от макрообъектов к микро- и нанообъектам, от трёхмерных к двумерным и одномерным структурам, от дифракции к недифракционным методам.

Кристаллы

Кристаллы представляют собой твёрдые или жидкие вещества, которые состоят из атомов, молекул, ионов или их агрегаций, расположенных в строго упорядоченном порядке. Размер этих структур может варьироваться от 10 до более чем 10000 нм. В твёрдых материалах эти элементы организованы в одинаковые параллелепипеды, называемые элементарными ячейками. Ячейку можно представить как упорядочение нескольких решёток Браве, каждая из которых имеет свои атомы. Количество таких вложений зависит от числа атомных разновидностей, находящихся в неэквивалентных положениях в кристалле. Пространственное повторение элементарной ячейки образует кристаллическую структуру, а совокупность всех вложенных решёток Браве формирует кристаллическую решётку. Жидкие кристаллы состоят из органических молекул, ориентированных параллельно и имеющих удлинение, превышающее соотношение 1:2,5. В смектических жидких кристаллах эти слои располагаются приблизительно параллельно друг к другу.

Задачи и методы

Задачи кристаллографии включают:

• Исследование геометрии внешней формы и внутреннего строения кристаллов.
• Изучение процессов зарождения, роста, растворения и дефектообразования в кристаллах и их выращивание для практических целей.
• Экспериментальное определение внутреннего строения кристаллов.
• Изучение взаимосвязей между геометрией внешней формы кристаллов, их внутреннего строения и симметрии с физическими свойствами кристаллов.

Методы кристаллографии:

• Оптическая и электронная микроскопия — позволяют исследовать дефекты роста, полиморфные превращения, механические, оптические, акустические и другие свойства кристаллов.
• Дифракционные методы. К ним относятся рентгеновская дифрактометрия и электронография, которые помогают определить фазовый состав и кристаллическую структуру материалов.
• Спектроскопические методы — оже-электронная спектроскопия, которая позволяет проводить качественную и количественную оценку элементного состава ультратонких слоёв материала.
• Сканирующая зондовая микроскопия — её помощью исследуют морфологию поверхности материалов с микро- и наноразмерной организацией рельефа.

Направления

В современной кристаллографии можно выделить четыре направления:

• Геометрическая кристаллография — изучает различные формы кристаллов и законы их симметрии.
• Структурная кристаллография и кристаллохимия — изучают пространственное расположение атомов в кристаллах и зависимость его от химического состава и условий образования кристаллов.
• Кристаллофизика — изучает влияние внутреннего строения кристаллов на их физические свойства.
• Физико-химическая кристаллография — изучает закономерности роста кристаллов, поведения их в различных условиях в зависимости от строения и формы.

Разделы

Кристаллография включает следующие разделы:

• Геометрическая кристаллография, которая изучает внешнюю форму кристаллов и закономерности их внутреннего строения.
• Кристаллохимия изучает связь между внутренним строением кристаллов и их химическим составом.
• Физико-химическая кристаллография исследует закономерности образования и роста кристаллов.
• Физическая кристаллография (кристаллофизика) занимается исследованием физических свойств кристаллов (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических).