10 činjenica o kristalografiji

10 činjenica o kristalografiji

Artyom Oganov,
Profesorica Prirodoslovno-matematičkog fakulteta i Fakulteta za fiziku i astronomiju Državnog sveučilišta u New Yorku
"Mogućnost Trojstva" № 15 (84), 2. kolovoza 2011

  1. Kristalografija je interdisciplinarna znanost o atomskoj strukturi i svojstvima materijala, svojevrsnom mostu između fizike, kemije, znanosti o materijalima, geologiji i planetologiji i biologiji. Osnivač kristalografije je Dane Nikolay Stenon (Niels stensen, 1638-1686), koji je formulirao zakon o postojanosti kutova između kristalnih lica, koja je postala prvi zakon kristalografije (1669). Stenon je kasnije postao biskup, živio je asketski život, a kanonizirala ga je Katolička crkva.
  2. Većina materijala su kristali. Kristal je čvrsto tijelo čija atomska struktura ima translacijsku periodicitet. Pored periodičnosti, kristali često posjeduju i druge elemente simetrije (aksijalno, ravnalo i inverzno). Broj različitih kristalnih struktura je beskonačan, ali svi pripadaju 230 simetričnih skupina, prvo izvedene 1890. godine E. S. Fedorov (1853-1919).
  3. Struktura kristala određena je difrakcijskim fenomenom,jer položaj i intenzitet difrakcije zraka (rendgenski, neutroni, elektron, gama zrake) sadrže informacije o rasporedu atoma u strukturi. Prve strukture riješile su U.G. i U.L. Braggie 1913., a sam fenomen rendgenske difrakcije na kristalima otkrio je M. von Laue 1912. godine. Sada je također moguće pouzdano predvidjeti strukturu kristala, na primjer, pomoću evolucijskih algoritama. Za određivanje strukture biomolekula (DNA, proteini, itd.) Koriste se kristalografske metode.
  4. Pomoću difrakcije rendgenskih zraka može se odrediti pojedinosti raspodjele gustoće elektrona u kristalima i analizirati kemijsku vezu. Neutronska difrakcija daje podatke o gustoći spina. Obje vrste difrakcije daju informacije o veličini toplinskih pomaka atoma i stupnju poremećaja. Ovi podaci, u pravilu, dobro su suglasni s rezultatima kvantno-mehaničkih proračuna.

    (iA) Kristalna struktura leda, koja pokazuje mjesto molekula H2A. Kristal karakterizira periodičnost strukture.
    (b) M-ugljika, novu modifikaciju ugljika, čija je struktura bila shvaćena samo u razdoblju 2006-2009.(A. R. Oganov, Q. Li)

  5. Vrsta kemijskog vezanja i kristalna struktura određena su svojstvima atoma – njihovim radijusima, elektronegativnostima i polarizabilnostima. Ta svojstva ovise o okolišu atoma u kristalu i uglavnom su uvjetovana. Postoji nekoliko sustava radijusa i elektronskog podrijetla.
  6. Kristal – iako je najčešći, ali samo jedan od poznatih oblika čvrste tvari s dugoročnim redoslijedom. Također su poznate nerazmjerne faze (imaju periodičku strukturu koja je uznemirena periodičkim valom tako da periodičnost nestaje u dobivenoj strukturi ili postoje dvije periodičke podstrukture čiji je odnos razdoblja iracionalan, što dovodi do gubitka sveukupne periodičnosti strukture) i kvazikristala.
  7. Kvazikristali, posebno stanje tvari s dugoročnim redoslijedom, ali bez translacijske periodičnosti, otkrili su 1982. D. Shechtman. Broj simetričnih elemenata (osi 5., 7. i viših redova) nespojive s trodimenzionalnom periodicnošću. Poznati kvazikristali s osima simetrije 5., 8., 10. i 12. reda. Svi poznati kvascikali su legure, supramolekularni agregati ili agregati koloidnih čestica. Nije poznat niti jedan ionski kvasikristal. (i) Gamma-bora, nova superhard modifikacija bora, otvorena je 2007. godine (Oganov, 2009) i posjeduje jedinstven karakter kemijskog vezivanja.
    (b) Kristalna struktura ne-metalne prozirne modifikacije natrija, predviđena i zatim dobivena pri tlaku od preko 2 milijuna atmosfera. Narančasti "oblaci" pokazuju područja lokalizacije valentnih elektrona.
    (u) Čak i svojstvo kao što je boja općenito ovisi o smjeru, kao što je prikazano ovdje za cordierite (Mg, Fe)2al4si5O18.
  8. Struktura kristala određuje mnoga svojstva. Za razliku od stakala i tekućina, kristali mogu imati niz zanimljivih svojstava (feroelektrična, piezoelektrična, birefringencija), a njihova svojstva mogu ovisiti o smjeru. Kada se promijeni tlak i temperatura, struktura se može promijeniti (ovo se naziva faza prijelaza). Prijelazne faze su prve vrste (skočna promjena u strukturi i sva svojstva) ili druge vrste (struktura i dio svojstava glatko se mijenjaju, a simetrija i neka svojstva se mijenjaju u skokovima). Prijelazi faza koji se javljaju u Zemljinom plaštu objašnjavaju dramatične promjene svojstava Zemljinih stijena s dubinom koju su snimili seizmolozi. Tlak u središtu Zemlje je 3,64 milijuna atmosfere.
  9. Kemija tvari značajno se mijenja pod pritiskom, a mnogo toga nije potpuno razumljivo. Konkretno, jednostavni metali (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) pod tlakom čine vrlo složene strukture, koje još uvijek nisu u potpunosti objašnjene. Istodobno se dobro razumiju takve iznenađujuće činjenice kao što su metalizacija i prijelaz kisika i sumpora u supravodljivu i prirodni gubitak metalikosti pod tlakom.
  10. Veliku pažnju istraživača i praktičara privlače i fotonske kristale – metamateriale, u kojima se indeks loma osvježava frekvencijom usporedivom s valnom duljinom svjetlosti. Fotonski kristali imaju svojstva optičkih filtara. Primjer prirodnog fotonskog kristala je opal, koji se sastoji od povremeno smještenih globula amorfnog silicijevog dioksida.

Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: