Кристаллография

Кварцевый ойсан

Кристаллография — 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

 → Кристалл

Кристаллы — 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).

Источники

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Кристаллография», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Кристаллография» — «https://znanierussia.ru/articles/Кристаллография» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».