– Onriom
Производство искусственных алмазов требует выполнения нескольких сложных условий. Недавно при помощи компьютерного моделирования учёные смогли в мельчайших деталях воссоздать процесс превращения графита в алмаз.
Подпись к изображению: При помощи новейшего научного метода учёные впервые в точности воспроизвели процесс превращения графита в алмаз.
Переход состоит из нескольких этапов, начиная от образования алмазного «семечка» внутри графита, и заканчивая полной трансформацией в настоящий алмаз под воздействием высокого давления.
Между этими двумя разновидностями естественно формирующегося элементарного углерода (темно-серым графитом и блестящим алмазом) намного больше различий, чем между каждым из них и практически любым другим материалом.
Существенная разница в прочности алмаза и графита связана, в основном, с их кристаллической структурой – кубической в случае с алмазом и гексагональной в случае с графитом.
Это различие и делает алмаз прочнейшим из всех известных материалов, в отличие от относительно мягкого графита. Именно благодаря своей высокой прочности алмазы пользуются спросом не только как драгоценные камни — их используют в промышленности для шлифовки и распиливания особо твердых материалов.
Сложное превращение
Впервые получить алмаз из графита искусственным образом удалось 60 лет назад. Но до производства в промышленных масштабах дело не дошло. Дело в том, что необходимыми условиями для его производства являются высокое давление и высокие температуры, процесс этот очень длительный и требует больших энергетических затрат. Он включает в себя принудительное изменение структуры углерода, изменение расположения его электронов.
Должны сформироваться четыре связи атомов углерода вместо трех, и состояние углерода должно измениться с энергетически «комфортного» до энергетически «некомфортного», плотного состояния. Чтобы это произошло, углерод должен преодолеть сильный энергетический барьер.
Как именно происходит подобная трансформация, и в какой момент углерод становится алмазом — до сих пор наука не могла дать внятного ответа на этот вопрос.
Профессор вычислительных наук Высшей технической школы Цюриха и Университета Лугано Мишель Парринелло и его команда, используя метод компьютерного моделирования, успешно воссоздали процесс трансформации графита в алмаз в виртуальном пространстве.
Упрощение дает ложную картину
В прошлом ученые пытались смоделировать фазу перехода, используя так называемый «метод Кар-Парринелло». С помощью этого метода можно приблизительно определить структуру и энергетическое состояние электронов в каждой позиции в ионе и, таким образом, смоделировать ситуацию с разрывом и последующим формированием новых ионных связей.
Метод 25-летней давности был разработан в процессе совместной работы Парринелло с Роберто Каром. «Однако создание точной модели процесса перехода от графита к алмазу обойдется слишком дорого, если учесть необходимость отслеживать огромное количество атомов», — говорит Парринелло.
Исследователи попытались упростить этот метод: они значительно сократили используемое при моделировании количество атомов. Но, как утверждает Парринелло, при подобном моделировании вся фаза трансформации графита выглядит таким образом, будто происходит мгновенно, как по команде, а не поэтапно.
Совсем другую картину удалось получить при помощи нового, недавно разработанного метода моделирования. Используя суперкомпьютер Швейцарского национального суперкомпьютерного центра, учёные вычислили десятки тысяч конфигураций атомов с плавно переходящим энергетическим состоянием.
Это означает, что конфигурации атомов обладают широким спектром возможных энергетических состояний. После того как ученые интерполировали их энергетическое состояние и использовали полученные данные как базис для моделирования, стало очевидно, что сначала формируется алмазное «семечко», которое затем, под влиянием высокого давления, постепенно изменяет свою гексагональную графитную структуру до кубической.
Моделирование фазы трансформации с помощью новейшего метода позволило сделать ещё одно открытие: структурные дефекты в кристаллической решетке графита уменьшают количество барьеров, которые необходимо преодолеть для образования алмазного «семечка»... Поэтому структурные дефекты могут увеличить скорость протекания процесса преобразования.
Этот метод может быть использован везде, где есть необходимость визуализировать фазовые переходы - подчеркивает Парринелло.
Не каждый знает, но алмаз и графит - две формы одного и того же вещества. Эти минералы полностью отличаются друг от друга по твердости и по характеристикам преломления и отражения света. Причем отличия весьма существенные. Алмаз - наиболее твердый в мире минерал, по шкале Мооса он представляет собой эталон - 10, тогда как твердость графита по этой шкале - всего 2. Таким образом, алмаз и графит одновременно самые похожие и непохожие вещества в мире.
Кристаллические решетки алмаза и графита
Каждое из них происходит из углерода, который, в свою очередь, является самым распространенным элементом биосферы. Он присутствует как в атмосфере, так и в воде, в биологических объектах. В земле он представлен в составе нефти, газа, торфа и так далее. Встречается и в качестве залежей графита и алмаза.
Больше всего углерода в организмах. Боле того, ни один из них не может без него обойтись. А происхождение этого минерала в остальных частях планеты как раз и объясняется нахождением когда-то там живых организмов.
Много споров сопровождает вопрос, откуда взялся графит и алмазы, ведь недостаточно, чтобы был один углерод, необходимо также, чтобы выполнялись определенные условия, при которых этот химический элемент принимал новую структуру. Считается, что происхождение графита метаморфическое, а алмазов - магматическое. Это означает, что образование алмазов на планете сопровождают сложные физические процессы, скорее всего, в глубинных слоях земли при горении и взрывах в присутствии кислорода. Ученые предполагают, что в этот процесс также замешан метан, но точно никто не знает.
Отличия между графитом и алмазом
Основное отличие - это строение алмаза и графита. Алмаз представляет собой минерал, форму углерода. Характеризуется метастабильностью, что означает, что он способен оставаться в неизменно вид бесконечно долго. Алмаз переходит в графит при некоторых специфических условиях, например, при высокой температуре в вакууме.
Графит также является модификацией углерода. Его структура делает минерал очень слоистым, поэтому самое распространенное его применение - изготовления грифеля для карандаша.
Явление, при котором вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, имеют разные физические свойства, называется аллотропией. Существуют и другие подобные вещества, однако эти два минерала имеют наибольшую разницу между собой. Решающую роль в этом играют особенности строения кристаллической структуры каждого из минералов.
Алмаз имеет невероятно прочную связь между атомами, что обусловлено их плотным расположением. Смежные атомы ячейки имеют форму куба, где частицы расположены на углах, гранях и внутри их. Это тетраэдрический тип строения. Такая геометрия атомов обеспечивает максимально плотную их организацию. Поэтому твердость алмаза такая высокая.
Низкий атомный номер углерода, показывающий, что атом имеет небольшую атомную массу, а соответственно и радиус, делает его самым твердым веществом на планете. Вместе с тем это совершенно не означает прочность. Расколоть алмаз довольно легко, достаточно его ударить. Такое строение объясняет высокий коэффициент теплопроводности и светопреломления алмаза.
Структура графита совершенно иная. На атомарном уровне она представляет собой ряд пластов, расположенных в разных плоскостях. Каждый из этих пластов представляет собой шестиугольники, которые примыкают друг к другу подобно сотам. При этом сильной связью обладают только атомы, расположенные в пределах каждого слоя, а между слоями связь хрупкая, они практически независимы друг от друга.
След от карандаша - это как раз и есть отделяемые слои графита. Из-за особенности своего строения графит имеет невзрачный вид, поглощает свет, обладает электропроводностью и металлическим блеском.
Получение алмаза из графита
Долгое время получить алмаз было технологически сложно, но к сегодняшнему дню эта не такая и трудная задача. Основной проблемой является повторение процессов в лаборатории в короткий промежуток времени, которые в природе проходят за миллионы лет. Ученые доказали, что условиями перехода алмаза из графита являлась высокая температура и давление.
Впервые такие условия были получены с помощью взрыва. Взрыв является химическим процессом, который представляет собой горение при высокой температуре и скорости. После этого собрали остатки графита, и оказалось, что внутри его образовались маленькие алмазы. То есть превращение произошло только фрагментарно. Причиной этого является разброс параметров внутри самого взрыва. Там, где условия были достаточными для такого превращения, оно и произошло.
Натуральный необработанный алмаз
Такие параметры сделали взрывы малоперспективными для получения алмаза. Однако опыты не прекратились, на протяжении длительного времени ученые продолжали проводить их, чтобы каким-то образом получить этот минерал. Более-менее стабильный результат получился, когда графит попытались нагреть импульсно до температуры в две тысячи градусов. В этом случае удалось получить алмазы приличных размеров.
Однако такие опыты дали еще один неожиданный результат. После превращения графита в алмаз происходил обратный переход алмаза в графит при уменьшении давления, то есть происходила графитизация. Таким образом, получение стабильного результата только с помощью одного давления достичь не удавалось. Тогда вместе с увеличением давления начали нагревать графит. Спустя некоторое время, удалось вычислить диапазон давлений и температур, при которых кристаллы алмаза можно было бы получать. Однако эти методы все еще не позволяли получить минерал ювелирного качества.
Для того чтобы получить камни, пригодные для создания украшений, начали выращивать алмазы с помощью применения затравки. В качестве ее использовали готовый кристалл алмаза, который нагревали до температуры 1500 градусов, что стимулировало сначала быстрый, а потом медленный рост. Однако применение метода в промышленных масштабах было нерентабельным. Потом начали в качестве подкормки использовать метан, который при таких условия распадался на углерод и водород. Как раз этот углерод и выступал, если можно так сказать, кормом алмаза, позволяющим ему расти намного быстрее.
Таким образом, сегодня этот метод используется для создания искусственных алмазов. И хотя он и является рентабельным, стоимость таких целых искусственных минералов остается высокой, что делает их не сильно популярными по сравнению с заменителями бриллиантов.
Месторождения минералов
Алмазы зарождаются на глубине 100 км и при температуре 1300 градусов. Кимберлитовая магма, которая образует кимберлитовые трубки, вступает в действие в результате взрывов. Именно такие трубки и представляют собой коренные месторождения алмазов. Впервые подобная трубка была открыта в африканской провинции Кимберли, откуда и пошло ее название.
Наиболее известные месторождения находятся в Индии, России и Южной Африке. На коренные месторождения приходится 80 % всех добываемых алмазов.
Чтобы найти алмаз в природе, используют рентген. Большинство из камней, которые находят, непригодны для ювелирного производства, так как обладают значительным количеством дефектов, в том числе трещинами, включениями, посторонними оттенками флуоресценцией и так далее. Поэтому их применение техническое. Такие камни делят на три категории:
- борт - камни с зональной структурой;
- баллас - камни, которые обладают круглой или грушевидной формой;
- карбонадо - черный алмаз.
Алмазы большого размера с выдающимися характеристиками, как правило, получают свое название. Кроме того, высокая стоимость камня делает его желанным для многих, что гарантирует «кровавую историю».
Графит образуется в результате изменения осадочных пород. В Мексике и на Мадагаскаре можно встретить руду с графитом низкого качества. Наиболее известные месторождения - в Краснодаре и на Украине.
Применение
Применение как алмаза, так и графита намного шире, чем кажется. Для алмаза можно выделить несколько сфер использования.
В ювелирной промышленности алмазы используют только в огранке, как известно, они носят название бриллиантов. Всего 20 % всех добытых камней пригодны для украшений, а минералов высокого качества и куда меньше.
Бриллианты - самые дорогие в мире камни. По стоимости только некоторые экземпляры рубинов могут сравниться с ними. На стоимость минералов влияют огранка, цвет, оттенок и чистота. Обычно некоторые из этих характеристик невооруженным глазом являются незаметными, однако выявляются при экспертизе.
Использование бриллиантов в украшениях очень распространено. Часто они выступаю как единственный камень или дополняют высококачественные сапфиры, рубины, изумруды. Наиболее частое применение камней - кольца для помолвки.
В технической сфере обычно берут второсортное сырье, с дефектами или с различными оттенками. Технические алмазы разделяются на несколько подкатегорий.
- алмазы определенной формы, которая годится для изготовления подшипников, наконечников сверл и так далее;
- необработанные камни;
- камушки с дефектами, применяемые только для изготовления алмазной крошки и порошка.
Последние применяются либо в очень маленьких деталях, либо в качестве напыления для изготовления режущего и шлифовального инструмента.
В электронике применяются иглы, которые являют собой необработанные кристаллы, имеющие от природы острую вершину, или осколки с такой же вершиной. Буровые установки в промышленности также содержат алмазы. Прослойки из этого минерала используются в микросхемах, счетчиках и так далее, происходит это благодаря высокому коэффициенту теплопроводности и сопротивлению.
Около 60 % всех технических алмазов используется в инструментах. Остальные 40 % в равных количествах:
- при бурении скважин;
- переработке;
- в мелких деталях ювелирных изделий;
- в шлифовальных кругах.
В чистом виде графит не используется. Его, как правило, обрабатывают. Графит высочайшего качества применяется в виде стержня для карандаша. Наиболее широкое применение графит находит в литье. Здесь он применяется для обеспечения гладкой поверхности стали. Для этого он используется в необработанном виде.
В электроугольной промышленности используют не только природного происхождения минерал, но и созданный. Последний имеет высокую однородность по качеству и чистоте. Высокая проводимость тока делает его также широко используемым для изготовления электродов в приборах. Кроме того, он применяется в качестве щеток для двигателя. В металлургии графит используют как смазочный материал.
Графитовые стержни за свою способность замедлять нейтроны раньше широко использовались при создании атомных реакторов. В частности, именно боровые стержни с графитовыми наконечниками выступали в качестве стержней управления-защиты на Чернобыльской АЭС. Одна из проблем, которая после привела к аварии, была в том, что для гашения цепной реакции нужно было нейтроны поглощать, за что отвечал бор, а не замедлять. Поэтому в момент, когда стержни опустили в активную зону реактора, его энергия возросла скачком, что привело к перегреву. Но это была всего лишь одна из множества причин.
Таким образом, алмаз и графит - два разных минерала с одинаковым элементом в основе. Их структуры делают свойства разными, что и представляет интерес. Каждый из них по-своему красив и имеет очень широкое применение как в очень сложных конструкциях, так и в предметах повседневности.
И алмаз, и графит – это разные формы одного и того же элемента – углерода. У мягкого, крошащегося графита и у самого твердого кристалла в мире одна и та же формула – С. Как такое возможно?
Свойства алмаза и графита
Алмазы встречаются в природе в хорошо выраженной кристаллической форме. Это прозрачный и чаще всего бесцветный кристалл, хотя бывают и алмазы, окрашенные в голубой, красный и даже черный цвета. Такое цветовое отступление от правила связано с особенностями природных условий формирования кристалла и наличия в нем примесей. Очищенный и отшлифованный алмаз приобретает особый блеск, который и оценили люди.
Алмазы хорошо отражают свет и, обладая сложной формой, хорошо его преломляют. Это дает знамений блеск и перелив очищенного кристалла. Он является проводником тепла, но по отношению к электричеству является изолятором.
Графит представляет собой антипод алмаза. Это не кристалл, а совокупность тонких пластинок. Он черный с серым отливом. По внешнему виду напоминает сталь с преобладанием чугуна.
Несмотря на стальной вид, на ощупь он жирный, а при использовании оказывается еще и мягким. При малейшем надавливании он крошится, что и привлекает человека, использующего графит в качестве средства запечатления информации на бумаге.
Графит, как и алмаз, является хорошим проводником тепла, но, в отличие от своего собрата по молекулярному строению, хорошо проводит и электричество.
Этих разных представителей полиморфности молекулярного углерода отличает друг от друга только одно – строение молекулярной решетки. Все остальное – лишь следствие главного.
В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу. Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости. Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый, и его слои плохо связаны друг с другом. Такое строение кристаллической решетки определяет его мягкость и разнообразную полезность, но сам графит при этом разрушается. Однако именно такое строение кристаллической решетки позволяет, используя особые условия и другие вещества, сделать из графита алмаз. Такие же процессы происходят с этим минералом в природе при аналогичных условиях.
Алмазная решетка построена по принципу объемных связей всех с каждым и всех со всеми. Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом тетраэдре окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что тетраэдров в каждом кусочке алмаза гораздо больше, чем молекул, образующих эти тетраэдры, поскольку каждый из тетраэдров является частью другого тетраэдра. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.
Судьба углерода в графите и алмазе
Углерод относится к самым массовым элементам биосферы и всей планеты Земля. Он в тех или иных состояниях присутствует в атмосфере (углекислый газ), в воде (растворенный углекислый газ и иные соединения) и в литосфере. Здесь, в тверди земной, он входит в состав больших залежей угля, нефти, природного газа, торфа и т.п. Но в чистом виде он представлен залежами алмаза и графита.
Больше всего углерода сконцентрировано в живых организмах. Любые организмы строят свое тело из углерода, концентрация которого в живых телах превышает содержание углерода в неживой материи. Мертвые организмы оседают на поверхности литосферы или океана. Там они разлагаются в разных условиях, образуя месторождения, богатые углеродом.
Происхождение чистых залежей алмазов и графита вызывает много споров. Есть мнение, что это бывшие организмы, попавшие в особые условия и минерализовавшиеся наподобие угля. Считается также, что алмазы имеют магматическое происхождение, а графит – метаморфическое. Это означает, что в концентрации алмазов на планете участвуют сложные процессы в недрах земли, где самопроизвольно в присутствии кислорода возникает взрыв и горение. В результате взаимодействия молекул метана и кислорода и возникают кристаллы алмаза. При этих же процессах, но в определенных условиях возможно появление и графита.
Как получить из графита алмаз
Получение при современном уровне развития химии давно не является проблемой. То, что природа делает за миллионы лет, человек может сделать за гораздо более короткий срок. Главное – воспроизвести условия, в которых в природе одна форма чистого углерода переходила в другую, то есть создать высокую температуру и очень высокое давление.
Впервые такие условия были созданы с помощью взрыва. Взрыв – это мгновенное горение под большим давлением. После того как собрали то, что удалось собрать, выяснилось, что в графите появились маленькие алмазы. Такое фрагментарное превращение произошло потому, что взрыв создает большое разнообразие давления и температуры. Там, где создались условия для перехода из графита в алмаз, это и произошло.
Эта неустойчивость процессов сделала взрывы неперспективными для производства алмазов из графита. Ученых это, однако, не остановило, и они с упорством продолжали подвергать графит всяким испытаниям в надежде заставить его стать алмазом. Стабильный результат дало нагревание графитового бруска импульсами до температуры в 2000°С, что дало возможность получить алмазы значимых размеров.
Опыты с высоким давлением дали неожиданные результаты – графит превращался в алмаз, но при уменьшении давления переходил в свое исходное состояние. Стабильно уменьшить расстояние между атомами углерода только с помощью одного давления не удавалось. Тогда стали сочетать давление и высокую температуру. Наконец, удалось выяснить диапазон сочетаний температуры и давления, при котором можно получить кристаллы алмаза. Правда, при этом получался только технический алмаз, использование которого в ювелирном деле было затруднено.
Кроме больших затрат на энергетическое обеспечение процесса перевода графита в алмаз существовала еще одна проблема – при увеличении длительности воздействия высокой температурой начинается графитизация алмаза. Все эти тонкости усложняют промышленное производство алмазов. По этой причине в природе, крайне разрушительная для нее, остается актуальной и прибыльной.
Чтобы получить алмаз, предназначенный для ювелирных целей, стали выращивать кристаллы, используя затравку. Готовый кристалл алмаза подвергался воздействию температуры в 1500°, что стимулировало рост сначала быстрый, а потом медленный. Чем больше кристалл, тем медленнее он рос. Этот эффект сделал интересный опыт лишь опытом, поскольку его производство в промышленных масштабах стало нерентабельным. Не улучшило ситуацию и применение метана в качестве «подкормки» растущего алмаза. При высоких давлении и температуре метан разрушается до углерода и водорода. Этот углерод и является “кормом” для алмаза.
Применение алмаза и графита
Оба минерала широко используются в промышленности.
Алмазы применяют:
- в электротехнике;
- приборостроении;
- радиоэлектронике;
- на буровых установках
- в ювелирном деле.
Графит используется при:
- производстве тиглей и иного огнеупорного оборудования;
- изготовлении смазочных материалов;
- изготовлении карандашей;
- производстве оборудования для электроугольной промышленности.
Несмотря на разнообразие применения как графита, так и алмаза в различных отраслях промышленности, можно смело говорить о большей пользе графита. Алмаз по причине идеальности своей кристаллической решетки инертен. Его можно использовать только как алмаз. Большая часть добываемых в природе алмазов уходит на нужды ювелирной промышленности, поскольку минерал является одним из самых дорогих драгоценных камней, становясь бриллиантом, он стимулирует оборот денег, и это его основное свойство в экономике.
Графит, изъятый из природы, становится не самодостаточной ценностью, а великим тружеником производства. Благодаря своим свойствам он используется и в своем истинном, природном виде, то есть как графит, и в качестве средства, на основе которого могут быть получены новые вещества, например, тот же алмаз.
Алмазы возникают под большим давлением. Данный процесс весьма труден и занимает много времени. Особый способ разработали научные сотрудники из Стэнфорда. Они сообщают, что их способ создания бриллиантов значительно легче и происходит быстрее. Этот способ стал доступен благодаря простому графиту. Он является стержнем карандаша. После этого открытия, изготовление алмазов станет доступно для некоторых инструментов и аппаратов, которые используются в различных сферах жизни человека.
Алмаз достаточно тверд, прочен и способен работать при различных критических температурах. Эти показатели делают камень самым лучшим в мире материалом для изготовления различных инструментов. Помимо технической промышленности, алмазы часто используются и для научных исследований. Можно сообщить, что алмазы используются как для приготовления радиаторов для охлаждения, так и для синтеза некоторых специфических материалов.
Синтетические алмазы изготавливаются из простого графита, которым мы пишем по бумаге, беря в руки карандаш. Графитовый стержень создается особым способом прессования, который идеально подходит для создания данного камня. Для создания алмаза, необходимо поместить графит в специальную камеру, которая будет выдавать давление в 150 000 атмосфер. Именно в результате такого высокого давления, графит изменяет свои характеристики, которые становятся практически такими же, как и у алмаза.
Ученым из Стэнфорда удалось избежать воздействия такого давления. Главной задачей ученых являлось внедрение графита в транзистор. Люди старались и испытывали различные варианты. Однажды, на платиновой поверхности были смешаны графит и некоторое количество водорода. Надежда команды ученых получить тоже действие, что и у кремния провалилось, но такой опыт окончился успехом. Им удалось изменить структуру графита, в результате чего он стал подобен алмазу. Особая реакция оказалась весьма специфическая, тем самым вызвав немалое удивление.
Также, ученые могут получить уникальную информацию о протекании химических реакций с различными элементами. Данный эксперимент позволяет развить мысли о том, что другие материалы могут владеть аналогичными свойствами.
Как превратить графит в алмаз, почему сиденья делают из пластика и дерева, а не из металлов и что общего у драгоценных камней и алюминия? Об этом в нашей рассылке рассказывает аспирант ФТИ имени Иоффе Федор Свинарев.
Почему алмаз прочнее стали?
Что такое кристаллы на самом деле?
Выдающийся американский физик и преподаватель Ричард Фейнман говорил: если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и мы могли бы передать потомкам только одну фразу, то выбрать следовало бы утверждение «Все тела состоят из атомов». Действительно, атомная структура во многом определяет свойства твердых тел. При этом важно не только то, из каких атомов состоит тело, но и то, как атомы расположены друг относительно друга в пространстве.
В первую очередь, твердые тела делятся на аморфные и кристаллические . В последних атомы упорядочены в кристаллическую решетку. Распространено заблуждение, что кристаллы — это обязательно драгоценные и полудрагоценные камни. Однако кристаллической решеткой обладают очень многие объекты. Медный провод, грифель карандаша, консервная банка — всё это кристаллические тела.
Можно ли расколоть алмаз?
Отличительной особенностью кристаллов является анизотропия — это когда свойства внутри среды различаются в зависимости от направления. Например, алмаз, хоть и является самым твердым материалом, может быть легко расколот на две части, если ударить по нему в правильном направлении. Прочность других кристаллов также зависит от того, куда направлена сила. Проще всего проверить это на пластинах слюды, используемых в микроволновках. Слюда расслаивается на более тонкие пластинки даже ногтем, но чтобы разрезать пластину поперек, требуются ножницы и значительные усилия. То есть разрезать слюду вдоль гораздо проще, чем поперек. А вот аморфное тело — например, стекло — резать что вдоль, что поперек одинаково сложно.
Еще одна особенность кристаллов — это более высокая по сравнению с аморфными телами теплопроводность . Тепло характеризует колебания атомов: чем интенсивнее атомы тела колеблются, тем выше температура. При наличии кристаллической решетки колебания быстрее распространяются от одного места к другому. Так, в жару кристаллические тела кажутся более горячими, чем аморфные, а при низкой температуре — более холодными. Поэтому сиденья предпочтительнее делать из аморфных материалов (пластик, дерево), а не из кристаллических (различные металлы).
Как из графита получить алмаз?
Вещества, состоящие из одних и тех же атомов, но по-разному упорядоченных, могут иметь совершенно разные свойства. Хрестоматийным примером является углерод. Привычный нам уголь аморфный, то есть у него нет кристаллической решетки. Графит, используемый в карандашах, тоже состоит из атомов углерода, но упорядоченных в кристаллическую решетку. Наконец, если нагреть графит до температуры 2000 °С и создать в нем давление порядка 100 000 атмосфер, его кристаллическая решетка принципиально изменится — и графит превратится в алмаз. Предполагается, что именно так образуются природные алмазы.
Основная трудность при этом — создать давление 100 000 атмосфер (для сравнения, давление на дне Марианской впадины в 90 раз меньше). Но давление такого порядка может возникать в земных недрах. Более того, в середине XX века появились технологии, позволяющие синтезировать алмаз из графита в лаборатории. С тех пор человечество создает искусственные алмазы, не уступающие природным (не следует путать искусственный алмаз и фианит — камень, внешне похожий на алмаз, но имеющий другой химический состав, куда менее твердый и более тяжелый).
В то время как алмаз — самый твердый из кристаллов, графит — один из самых мягких. Алмаз почти не проводит ток, а графит настолько хороший проводник, что иногда разрыв электрической цепи можно устранить с помощью карандаша. У алмаза высочайшая теплопроводность, а у графита в десять раз меньше. В конце концов, выглядят эти материалы совершенно по-разному. Чем же так сильно отличаются их кристаллические решетки? Важным параметром является координационное число , показывающее, сколько ближайших «соседей» у каждого отдельно взятого атома.
В решетке алмаза координационное число равно 4, а в решетке графита — 3. Это значит, что каждый атом графита связан с тремя другими, причем все они лежат в одной плоскости. В результате кристаллическая решетка графита состоит из плоскостей, в пределах каждой из которых атомы связаны крепко. Но сами плоскости между собой соединены слабо, что и обуславливает механические свойства графита.
Как сделать кристалл прочнее?
Сталь — это тоже кристаллическое тело, причем далеко не такое твердое, как алмаз. Но расколоть сталь гораздо сложнее, чем алмаз. В чем секрет прочности стали и других металлов? Парадоксально, но кристалл может стать прочнее, если сделать его «хуже».
Во-первых, в кристалл можно добавить примеси, то есть заменить часть атомов на другие. Во-вторых, драгоценные камни представляют собой монокристаллы — и отчасти поэтому они хрупкие. Монокристалл можно раздробить в мелкокристаллическую пыль и спрессовать ее. В результате получится поликристалл — тело, состоящее из маленьких кристаллов. Поликристаллы практически столь же твердые, что и монокристаллы, но прочнее — как правило, их не получится разбить один ударом. Привычные нам железо, сталь, алюминий — поликристаллы. Поэтому многие и не воспринимают их как кристаллические тела. Но под микроскопом видно, что они состоят из маленьких кристаллов.
Как увидеть атомы кристаллов?
Но даже сколь угодно хороший оптический микроскоп не сможет «разглядеть» ряды атомов в кристаллической решетке, ведь размер атома — менее нанометра, а длина волны видимого света — сотни нанометров; предметы меньшего размера видимый свет «не чувствует». К счастью, длина волны ультрафиолетового света меньше, чем у видимого, а у рентгеновских лучей она еще меньше. Поэтому для изучения кристаллической решетки вещество облучают не видимым светом, а рентгеном. Анализ рассеяния рентгеновских лучей позволяет с большой точностью построить схему кристаллической решетки.
Таким образом, атомное строение твердых тел проявляется в их свойствах. Создание материалов с заданными характеристиками было и остается популярной задачей физики и смежных наук, зачастую требующей глубокого понимания процессов, происходящих на микроскопическом уровне.
Загрузка...
