La cuvântul "cristal" probabil aveți o imagine de piatră prețioasă sau minerală. De fapt, cristalele sunt mult mai multe substanțe. De exemplu, o foaie de oțel este un cristal și un moale și gras plumb creion, adică grafit. La prima vedere, nu există nimic comun între grafit, fontă și safir - de ce sunt denumiți apoi cristale și care sunt fulgii de zăpadă și vikingii implicați? Tot acest TP a fost spus de Valery Roizen, membru al Laboratorului de proiectare a materialelor computerizate la MIPT.
Pentru a răspunde la aceste întrebări, trebuie să ne uităm la aranjamentul atomilor din interiorul cristalului. Ele sunt împachetate sub forma unei structuri tridimensionale, numită o latură de cristal. Imaginați-vă un cub (deși, în general, este un paralelipiped), în care atomii sunt plasați într-un fel. Apoi, lipiți pe fețele acestui cub exact același lucru, apoi din nou și așa mai departe ad infinitum: în acest fel veți obține cristalul perfect, adică cristalul fără granițe.
În realitate, astfel, desigur, nu există. În primul rând, este evident că orice material are limite. În al doilea rând, în procesul de creștere a cristalelor, există întotdeauna unele defecte sau impurități. Aceasta duce la distorsiuni de zăbrele mici, care, la rândul lor, schimbă proprietățile materialului, de exemplu, interacțiunea cu lumina. Astfel, corindonul, safirul și rubinul sunt unul și același mineral, oxid de aluminiu, iar prezența impurităților în ele duce la o culoare diferită. Acesta este un punct foarte important: proprietățile cristalului sunt determinate de structura sa cristalină. Fie că este un material solid sau plastic, conductor sau izolator, lumină transparentă sau absorbantă, este determinată de localizarea atomilor din interiorul acestuia. Voi da cinci povești care să ilustreze acest lucru.
Prima poveste: "Kepler și fulgi de zăpadă"
În 1610, Johannes Kepler a scris într-un cadou de Anul Nou prietenului său un mic tratat „La fulgii hexagonale.“ Apropo, acesta este același Kepler, care a descoperit legile mișcării planetelor sistemului solar. Om de știință se întreba de ce fulgii de zăpadă sunt o formă hexagonală de stele, corect să spunem că lipsa de fulgi de zăpadă sau pentagonale heptagonal cu greu o coincidență. El credea că lumea se bazează pe numărul și, prin urmare, forma de fulgi de zăpadă nu este conectat cu proprietățile substanței, astfel cum sunt definite de anumite principii comune. Pentru a înțelege ce Kepler l-au analizat cunoscute structuri regulate spațiale găsite în natură - un fagure de miere, semințe de rodie și mazăre într-un pod. Rezultatul raționamentului său a fost teorema - "ipoteza lui Kepler".
Fulg de zăpadă sub microscop
Imaginați-vă că trebuie să punem bilele într-o cutie de carton cât mai strâns posibil. Cum se face acest lucru? Soluția este bine cunoscută, este utilizată atunci când se pune fructe pe piețe: trebuie să plasați bilele în formă de piramidă. Dacă vă uitați la un astfel de pachet matematic, fiecare strat este împărțit în hexagoane, lipite împreună. Se pare că acest lucru explică de ce fulgii de zăpadă au un număr atât de mare de raze. Dar există și noi întrebări: de ce în acest caz fulgii de zăpadă sunt plane? Care este natura acestor bile mici, de care sunt compuse? Pentru a le răspunde, Kepler avea nevoie de cunoașterea faptului că toate substanțele din jur s-au format din atomi. Și pentru noi în această poveste relație importantă care există între forma cristalului și structura acestuia pe o scară microscopică, deoarece este un celule cristaline - cauza formelor geometrice regulate de minerale.
A doua poveste: "Prelucrarea fierului"
Lucrarea fierarului este un proces complex și în mare măsură intuitiv de forjare, întărire, temperare. Cum obține o bucată de material o formă și proprietăți elegante? Metalul schimbă duritatea, devine mai flexibil și mai puternic. Este tocmai aceeași cristalografie, aplicată doar. De fapt, fierarul este implicat în deplasarea pe schema de fază a fierului. El trebuie să traducă materialul din regiunea în care are o structură cristalină, în regiune, pe de altă parte, schimbând astfel caracteristicile sale. Acest lucru se face, de exemplu, prin încălzirea și răcirea metalului. Dacă urmați un anumit traseu pe "hartă de fier", atunci puteți face un material stratificat (un alt nume pentru astfel de materiale este compozit) - faimosul oțel Damasc.
Oțel sub microscop
Putem spune că fierari au fost primii cristalografi. Desigur, nici unul dintre ei nu sa gândit la atomi și laturi, dar au avut o bogată experiență experimentală. Și 3 mii de ani de istorie a fierului demonstrează importanța relației dintre proprietățile mecanice ale cristalelor (duritatea etc.) și structura lor cristalină.
A treia poveste: "Piatra soarelui a vikingilor"
Efectul aranjamentului atomilor asupra durității materialului este destul de ușor de imaginat. Dacă cineva este curios, atunci îl puteți verifica colectând diferite forme din bilele neocubului. Mult mai surprinzător este faptul că structura de cristal afectează și propagarea luminii. Diamantul este transparent din cauza asta.
A patra poveste: "Medicina dummy"
Curând sa constatat că motivul a fost în condițiile de fabricare a unui medicament care a fost eliberat sub formă de tablete. Pentru a înțelege ce sa întâmplat, trebuie să înțelegem cum funcționează tableta.
Să presupunem că am găsit o substanță care elimină procesul inflamator în țesuturi. Acum ne confruntăm cu întrebarea: cum să o livram corpului? Pentru a face acest lucru, îl putem împacheta sub formă de cristale moleculare (adică constituite din molecule), comprimarea pulberii din acestea și pentru a obține astfel o tabletă. Și acum stadiul de creștere a cristalelor este doar cel mai important. Faptul este că moleculele pot avea mai multe ambalaje cristaline diferite. Se pare că în acest important? Dar, ca rezultat, proprietățile fizico-chimice ale medicamentului se schimbă, în special solubilitatea. Și că substanța medicamentoasă a ajuns din pilulă în sânge, trebuie să se dizolve undeva în tractul gastro-intestinal. Dacă cristalul se dizolvă prost, atunci magia nu se va întâmpla și medicamentul nu va funcționa. Acesta este exact ceea ce sa întâmplat cu Ritonavir. Când a fost produs, regimul de temperatură corect nu a fost menținut, ca urmare a întregului lot de medicament a devenit un manechin.
Istoria celui de-al cincilea: "Materiale inteligente"
Nu ratați următoarea conferință:
Trimiteți-le prietenilor: