Атомы блуждают по кристаллу

Атомы блуждают по кристаллу. Сам факт, что некоторые из атомов в кристаллах блуждают, а не находятся в устойчивом состоянии вызывает долю скептицизма. Ведь всем известно, что в кристаллах атомы расположены в узлах кристаллических решеток и они лишь совершают колебательные движения в пределах не больше междуатомного расстояния.

Однако из каждого правила есть исключения. То что некоторые атомы не находятся в узлах кристаллической решетки доказал один из основоположников физики твердого тела, советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель. Сам механизм перемещений атомов в кристаллах похож на диффузионные процессы или скорее на испарение, только не во внешнюю среду, а во внутреннюю6. Диффузия - это перенос вещества приводящий к самопроизвольному выравниванию концентрации различных веществ.

Атомы или молекулы сорта А перемещаются туда, где их меньше всего или нет совсем и где больше атомов сорта В, и наоборот. В результате происходит диффузионное перемешивание в газах, жидкостях и твердых телах. При испарении происходит произвольный отрыв единичных атомов вещества от привычных им позиций. Освободившиеся атомы уходят во внешнюю среду. Надо заметить, что скорости как диффузии, так и испарения зависят от температуры, то есть эти процессы термодинамические, чем выше температура, тем больше скорость.

Френкель, в своей статье О тепловом движении в твердых и жидких телах проводит аналогию между внешним и внутренним испарением, т. е. переходом атома в кристалле из узла в пространство между узлами. Согласно Френкелю, принципиального отличия между характером теплового движения атомов на поверхности тела и внутри него не существует. Если возможен отрыв атомов вещества от его поверхности, то мыслим так же и срыв атома из положения равновесия внутри тела. Однако мы должны считаться с тем, что в нормальных условиях атомы образуют в основном правильную кристаллическую решетку, и что внутреннее испарени6е может сопровождаться нарушением в правильности расположения атомов.

Предположим, что какой-нибудь атом набравший случайно избыточную энергию, вырывается из клетки, образованной его соседями, как бы раздвигая прутья этой клетки, и вылетает из исходного положения равновесия в исходную плоскость.

Атомы не занимают всего объема тела, между ними остаются еще свободные промежутки междоузлия, благодаря которым они оказываются способными совершать колебания. Конечно, если атом внедряется в одно из междоузлий, то он должен несколько потеснить своих новых соседей. Узлы решетки вблизи такого дислоцированного атома окажутся смещенными однако на небольшом расстоянии от этого места восстанавливается правильная структура. Таким образом, в результате внутреннего испарения один из узлов, именно тот, где ранее находился рассматриваемый атом, окажется вакантным, зато одно из междоузлий занятым.

Такой процесс может многократно повторятся с тем же самым атомом. Переходя из одного междоузлия в другое, дислоцированный атом может странствовать по всему внутреннему пространству кристалла. В результате теплового движения некоторые узлы обнажаются, оставаясь вакантными, а некоторые междоузлия заполняются сорвавшимися атомами.

Реальный кристалл представляет собой как бы двойной раствор, в котором наряду с основными атомами, находящимися в узлах, имеются два типа растворенных частиц дислоцированные атомы и свободные узлы вакансии. Дислоцированные атомы расположены так же, как располагаются посторонние атомы в случае их внедрения в междоузлие. Что же касается вакансий, то они занимают место реальных атомов, т.е. располагаются подобно чужеродным атомам по принципу замещения. Не только дислоцированные атомы перемещаются по кристаллу, но и вакансии.

Освободился один узел, образовалась вакансия, тут же в нее перескочил атом, например из нижнего ряда, на его месте образовался пустой узел, следовательно, вакансия сместилась на один ряд вниз. Это наиболее общее описание механизма перемещение атома по кристаллу. В настоящее время, существует множество формул и условий, помогающих определить частоту перемещения, направление и другие параметры. О прочности кристаллов. Ранее было описано, что кристалл заполнен дефектами.

Как же влияют дефекты на прочность кристаллов. О одном, о прочности, мы уже говорили дефекты понижают прочность, в сотни, тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, то атомная постройка начнет разрушаться именно в месте слабины, там, где есть дефект. Дефект - дислокация - начинает двигаться по кристаллу. Но не так все просто, по мере того, как растет деформация кристалла, растет и число дефектов в нем. А так как дефекты взаимодействуют друг с другом, то, чем их больше, тем труднее им двигаться в кристалле.

Получается парадокс если есть дефект кристалл - кристалл деформируется и разрушается легче, чем если дефекта нет. А если дефектов слишком много, то кристалл опять становится прочным, и чем больше дефектов, тем он более упорядочивается. Значит, если мы научимся управлять числом и расположением дефектов, мы сможем управлять прочностью материалов. Еще сильнее удалось бы изменить свойства кристаллов, если бы удалось вырастить кристалл совсем без дефектов.

Как в стальном каркасе здания, если бы не было ни одной дефектной балки, прочность здания была бы расчетной. Без дефектов кристалл не хочет расти. И все же ученым удалось перехитрить природу. Научились выращивать кристаллы, в которых нет, совсем нет, дефектов, или есть один единственный дефект, очень удачно расположенный. Такие идеальные кристаллы удивительно прочны. Обычное техническое железо выдерживает, не разрушаясь, усилие в 20-30 кгмм2, самая лучшая конструкционная сталь - 200-300 кгмм2, а бездефектный кристаллик железа - 1400 кгмм2. Иначе говоря, бездефектные кристаллы железа прочнее обычного в 40-50 раз2. Такие кристаллы научились растить, измерять их свойства и прочность, но эти кристаллы очень и очень малы. Это нитевидные кристаллы, или усы - волоски диаметром не более 1-2 микрон.

Растить такой кристалл очень сложно, а вырастет он чуть потолще - в нем обязательно проявляются дефекты и прочность сразу снижается. Такой усик выдерживает нагрузку значительно большую, чем обычная проволока.

Он деформируется упруго, восстанавливает свою форму после деформации, не меняется при высоких температурах. Уже широко применяются нитевидные кристаллы для создания высокопрочных композитных материалов. Композит, или композитный материал - это сплошная основа, металл или полимер пронизанный нитевидными кристаллами. Созданы кристаллизационные установки в которых вытягивают монокристаллические нити сапфира длинной до 30 метров. Кристалл получается такой упругий и гибкий, что его наматывают как нить на катушку.

А затем этими гибкими нитями упрочняют основу. Из композитных материалов делают листы для обшивки самолетов и ракет. Человек научился получать материалы, гораздо прочнее природных. Кристаллы из-за их прочности используют и в различных режущих аппаратах, так как кристалл один из самых прочных материалов на Земле. Человек применяет кристаллы почти во всех областях материальной сферы их цена и значение чрезвычайно велики.