Кристаллдар мен кристалдану құбылысы

Кіріспе

Өте реттелген микроскопиялық құрылымы бар қатты материал – кристалдық қатты денелер

Кристалл немесе кристаллдық қатты дене – құрауыштарының (атомдар, молекулалар немесе иондар сияқты) жоғары реттелген микроскопиялық құрылымда орналасқан, барлық бағытта созылатын кристалл торды құрайтын қатты материал. Сонымен қатар, макроскопиялық жеке кристалдар әдетте геометриялық пішінімен анықталады, олар белгілі бір сипаттағы бағыттары бар жалпақ беттерден тұрады. Кристаллдар мен кристалл пайда болуын ғылыми зерттеу кристаллография деп аталады. Кристалл өсу механизмдері арқылы кристалл пайда болу процесі кристалдану немесе қатаю деп аталады. "Кристалл" сөзі ежелгі грек сөзі κρύσταλλος (krustallos) –дан шыққан, ол "мұз" және "тас кристаллы" дегенді білдіреді, ал κρύος (kruos) – "мұзды суық, қырау" деген мағынаны білдіреді. Үлкен кристалдардың мысалдары: қар ұсақ шаштары, алмаз және ас тұзы. Көптеген бейорганикалық қатты денелер кристалл емес, поликристалл, яғни көптеген микроскопиялық кристалдар бірігіп, бір қатты денеге айналады. Поликристаллдарға көптеген металдар, тау жыныстары, керамика және мұз жатады. Үшінші санаттағы қатты денелер – атомдарында ешқандай периодтық құрылымы жоқ аморфты қатты денелер. Аморфты қатты денелердің мысалдары: шыны, балауыз және көптеген пластиктер. Атауына қарамастан, қорғасын кристаллы, кристалл шыны және осыған ұқсас өнімдер кристалл емес, шыны түрлері, яғни аморфты қатты денелер. Кристалдар немесе кристаллдық қатты денелер көбінесе кристалл терапиясы сияқты псевдоғылыми тәжірибелерде қолданылады, және асыл тастармен бірге кейде Викка сенімінде және оған байланысты діни қозғалыстардағы сиқыршылықпен байланысты болады.

Кристалдық құрылым (микроскопиялық)

"Кристалл" деген сөздің ғылыми анықтамасы оның ішіндегі атомдардың микроскопиялық орналасуына негізделген. Кристалл – атомдардың периодтық ретпен орналасқан қатты дене. (Квазикристалдар – бұл ерекшелік, төменде қараңыз). Барлық қатты заттар кристалл емес. Мысалы, сұйық су қатып бастағанда фазалық өзгеріс кішкентай мұз кристалдарының өсуімен басталады, олар бірігіп поликристалдық құрылымды қалыптастырады. Мұздың соңғы бөлігіндегі әрбір кішкентай кристалл ("кристаллиттер" немесе "дәнділер" деп аталады) атомдардың периодтық реті бар нағыз кристалл болып табылады, бірақ бүкіл поликристалл атомдардың периодтық ретіне ие емес, себебі периодтық үлгі дән шекараларында бұзылады. Көптеген макроскопиялық бейорганикалық қатты денелер поликристалды болып келеді, оның ішінде барлық металдар, керамика, мұз, тау жыныстары және т.б. Кристаллдық немесе поликристалдық емес қатты денелер, мысалы шыны, аморфты қатты денелер деп аталады, сондай-ақ шыны тәрізді немесе кристалл емес деп те айтылады. Оларда тіпті микроскопиялық деңгейде де периодтық рет жоқ. Кристалдық және аморфты қатты денелер арасында ерекше айырмашылықтар бар: ең бастысы, шыныны қалыптастыру процесі балқудың жасырын жылуын бөліп шығармайды, ал кристаллды қалыптастыру бөліп шығарады. Кристалл құрылымы (кристаллдағы атомдардың орналасуы) оның элементар жасушасымен сипатталады, ол белгілі бір кеңістіктік орналасудағы бір немесе бірнеше атомды қамтитын шағын көзге көрінбейтін қорап. Элементар жасушалар үш өлшемді кеңістікте кристалды құру үшін жиналады. Кристаллдың симметриясы элементар жасушалардың ешқандай бос орын қалдырмай жақсы үйлесуімен шектеледі. Кристалл симметриясының 219 түрі бар (көбінесе 230 деп аталады, бірақ бұл хиральдық эквиваленттерді жекеленген нысандар ретінде қарастырады), олар кристаллографиялық кеңістік топтары деп аталады. Олар 7 кристалл жүйесіне топтастырылады, мысалы, кубтық кристалл жүйесі (мұнда кристаллдар текшелер немесе тіктөртбұрышты қораптар түрінде болуы мүмкін, мысалы, оң жақта көрсетілген галит) немесе гексагонды кристалл жүйесі (мұнда кристаллдар қарапайым су мұзы сияқты гексагон түрінде болуы мүмкін).

The scientific definition of a "crystal" is based on the microscopic arrangement of atoms inside it, called the crystal structure. A crystal is a solid where the atoms form a periodic arrangement. (Quasicrystals are an exception, see below). Not all solids are crystals. For example, when liquid water starts freezing, the phase change begins with small ice crystals that grow until they fuse, forming a polycrystalline structure. In the final block of ice, each of the small crystals (called "crystallites" or "grains") is a true crystal with a periodic arrangement of atoms, but the whole polycrystal does not have a periodic arrangement of atoms, because the periodic pattern is broken at the grain boundaries. Most macroscopic inorganic solids are polycrystalline, including almost all metals, ceramics, ice, rocks, etc. Solids that are neither crystalline nor polycrystalline, such as glass, are called amorphous solids, also called glassy, vitreous, or noncrystalline. These have no periodic order, even microscopically. There are distinct differences between crystalline solids and amorphous solids: most notably, the process of forming a glass does not release the latent heat of fusion, but forming a crystal does. A crystal structure (an arrangement of atoms in a crystal) is characterized by its unit cell, a small imaginary box containing one or more atoms in a specific spatial arrangement. The unit cells are stacked in three dimensional space to form the crystal. The symmetry of a crystal is constrained by the requirement that the unit cells stack perfectly with no gaps. There are 219 possible crystal symmetries (230 is commonly cited, but this treats chiral equivalents as separate entities), called crystallographic space groups. These are grouped into 7 crystal systems, such as cubic crystal system (where the crystals may form cubes or rectangular boxes, such as halite shown at right) or hexagonal crystal system (where the crystals may form hexagons, such as ordinary water ice).

Кристалл беттері, пішіндері және кристаллографиялық формалары

Кристаллдар көбінесе макроскопиялық тұрғыдан, өткір бұрыштармен жазық беттерден тұратын пішінімен танылады. Бұл пішін сипаттамалары кристалл үшін міндетті емес – кристалл ғылыми тұрғыдан оның макроскопиялық пішіні емес, микроскопиялық атомдық құрылымымен анықталады, бірақ ерекше макроскопиялық пішін көбінесе кездеседі және оны көру оңай. Еугедральды кристаллдар – бұл анық, жақсы қалыптасқан жазық беттері бар кристаллдар. Ангедральды кристаллдарда мұндай беттер болмайды, әдетте, себебі кристалл поликристаллды қатты денедегі бір түйір болып табылады. Еугедральды кристаллдың жазық беттері (фасеттер деп те аталады) кристаллдың негізгі атомдық құрылымына қатысты белгілі бір бағытта орналасқан: олар салыстырмалы түрде төмен Миллер индексіне ие жазықтықтар. Бұл кейбір беттік бағыттардың басқаларына қарағанда тұрақтырақ болуына байланысты (беттік энергиясы төмен). Кристалл өскен кезде жаңа атомдар беттің дөңгелек және тұрақсыз бөліктеріне оңай жабысады, бірақ жазық, тұрақты беттерге оңай емес. Сондықтан, жазық беттер үлкеніп, тегістеуге бейім, соның нәтижесінде кристаллдың барлық беті осы жазық беттерден тұрады. (Оң жақтағы суретті қараңыз.) Кристаллография ғылымының ең көне әдістерінің бірі – кристалл беттерінің үш өлшемді бағытын өлшеу және оларды кристаллдың негізгі симметриясын анықтау үшін пайдалану. Кристаллдың кристаллографиялық формалары – кристаллдың симметрияларының бірімен байланысты кристаллдың мүмкін болатын беттерінің жиынтығы. Мысалы, галена кристалдары көбінесе куб пішіндес болады, ал кубтың алты беті изометриялық кристалл жүйесінің симметрияларының бірін көрсететін кристаллографиялық формаға жатады. Галена кейде октаэдр түрінде де кристалданады, ал октаэдрдің сегіз беті изометриялық жүйенің басқа симметриясын көрсететін басқа кристаллографиялық формаға жатады. Кристаллографиялық форма оның бір бетінің Миллер индексін жақшалардың ішіне жазу арқылы сипатталады. Мысалы, октаэдрлік форма {111} деп жазылады, ал формадағы басқа беттер кристаллдың симметриясымен анықталады. Формалар жабық болуы мүмкін, яғни форма кеңістіктің көлемін толық қоршауға қабілетті, немесе ашық болуы мүмкін, яғни ол мұндай қабілетке ие емес. Кубтық және октаэдрлік формалар жабық формалардың мысалы болып табылады. Изометриялық жүйенің барлық формалары жабық, ал моноклиндік және триклиникалық кристалл жүйелерінің барлық формалары ашық. Кристаллдың беттері бір жабық формаға тиесілі болуы мүмкін, немесе бірнеше ашық немесе жабық формалардың комбинациясынан тұруы мүмкін. Кристаллдың пішіні – оның сыртқы көрінетін пішіні. Бұл кристалл құрылымымен (мүмкін болатын фасеттік бағыттарды шектейтін), кристалл химиясымен және байланысымен (кейбір фасеттік типтерді басқаларына қарағанда артық көретін) және кристалл қалыптасқан жағдайлармен анықталады.

Crystals are commonly recognized, macroscopically, by their shape, consisting of flat faces with sharp angles. These shape characteristics are not necessary for a crystal—a crystal is scientifically defined by its microscopic atomic arrangement, not its macroscopic shape—but the characteristic macroscopic shape is often present and easy to see. Euhedral crystals are those that have obvious, well formed flat faces. Anhedral crystals do not, usually because the crystal is one grain in a polycrystalline solid. The flat faces (also called facets) of a euhedral crystal are oriented in a specific way relative to the underlying atomic arrangement of the crystal: they are planes of relatively low Miller index. This occurs because some surface orientations are more stable than others (lower surface energy). As a crystal grows, new atoms attach easily to the rougher and less stable parts of the surface, but less easily to the flat, stable surfaces. Therefore, the flat surfaces tend to grow larger and smoother, until the whole crystal surface consists of these plane surfaces. (See diagram on right.) One of the oldest techniques in the science of crystallography consists of measuring the three dimensional orientations of the faces of a crystal, and using them to infer the underlying crystal symmetry. A crystal's crystallographic forms are sets of possible faces of the crystal that are related by one of the symmetries of the crystal. For example, crystals of galena often take the shape of cubes, and the six faces of the cube belong to a crystallographic form that displays one of the symmetries of the isometric crystal system. Galena also sometimes crystallizes as octahedrons, and the eight faces of the octahedron belong to another crystallographic form reflecting a different symmetry of the isometric system. A crystallographic form is described by placing the Miller indices of one of its faces within brackets. For example, the octahedral form is written as {111}, and the other faces in the form are implied by the symmetry of the crystal. Forms may be closed, meaning that the form can completely enclose a volume of space, or open, meaning that it cannot. The cubic and octahedral forms are examples of closed forms. All the forms of the isometric system are closed, while all the forms of the monoclinic and triclinic crystal systems are open. A crystal's faces may all belong to the same closed form, or they may be a combination of multiple open or closed forms. A crystal's habit is its visible external shape. This is determined by the crystal structure (which restricts the possible facet orientations), the specific crystal chemistry and bonding (which may favor some facet types over others), and the conditions under which the crystal formed.

Тастар

Көлем және салмақ бойынша Жердегі кристаллдардың ең ірі шоғырлануы оның қатты тау жыныстық негізінің құрамына кіреді. Тау жыныстарында табылған кристаллдардың мөлшері әдетте миллиметрдің бір бөлігінен бірнеше сантиметрге дейін жетеді, бірақ өте ірі кристаллдар да кездеседі. 1999 жылғы мәліметтер бойынша, әлемдегі ең үлкен табиғи кристалл – Мадагаскардың Малакиалинасынан табылған берил кристалы, ұзындығы және диаметрі , салмағы бар. Кейбір кристаллдар магмалық және метаморфтық процестер нәтижесінде пайдалып, ірі кристалды тау жыныстарының қалыптасуына себеп болады. Көптеген магмалық тау жыныстары балқыған магмадан түзіледі және кристалдану дәрежесі олардың қатаю жағдайларына байланысты. Гранит сияқты тау жыныстары өте баяу және жоғары қысымда суытылғандықтан толығымен кристалданады; бірақ лаваның көптеген түрлері жер бетіне құйылып, тез суытылады, сондықтан олардың құрамында аморфты немесе шыны тәрізді заттар кездеседі. Басқа кристаллдық тау жыныстары, мәрмәр, микалы тақталар және кварциттер сияқты метаморфтық тау жыныстары қайта кристалданады. Бұл олардың бастапқыда әк, тақтатас және құмтас сияқты бөлшекті тау жыныстары болғанын және ешқашан балқыған немесе толық еріген күйде болмағанын білдіреді, бірақ метаморфизмнің жоғары температурасы мен қысымы олардың бастапқы құрылымын жойып, қатты күйде қайта кристалдануға әкелді. Басқа тау жынысы кристалдары сұйықтықтардан, көбінесе судан нөсерлейтін жауын-шашын арқылы пайда болып, дрюзалар немесе кварц тамырларын құрайды. Галит, гипс және кейбір әктастар сияқты буланушы заттар сулы ерітінділерден, көбінесе құрғақ климатта булану нәтижесінде шөгіп қалған.

Мұз

Суға негізделген мұз, қар, теңіз мұзы және мұздықтар түрінде Жерде және басқа планеталарда кең таралған кристаллдық/поликристаллдық құрылымдар болып табылады. Жеке қар ұсатығы – бір кристалл немесе кристалдардың жиынтығы, ал мұз кубигі – поликристалл. Мұз кристалдары судың қату нүктесінен төмен температураға дейін салқындаған сұйық судан, мысалы, мұз қиықтары немесе мұздаған көл сияқты жағдайларда пайда болуы мүмкін. Көктайғақ, қар ұсатығы немесе ауадағы кішкентай мұз кристалдары (мұз тұмыры) көбінесе су буы мен ауаның аса қаныққан газ тәрізді ерітіндісінен өседі, бұл кезде ауа температурасы шөл нүктесінен төмен түседі, сұйық күйден өтпей. Судың тағы бір ерекше қасиеті – ол кристаллдану кезінде жиырылудың орнына кеңейеді.

Органигендік кристалдар

Көптеген тірі организмдер сулы ерітіндіден өсетін кристалдарды өндіре алады, мысалы, көптеген моллюскалар үшін кальцит және арагонит, ал омыртқалы жануарлардың сүйектері мен тістері үшін гидроксилапатит.

Полиморфизм және аллотропия

Бір атомдар тобы көбінесе әртүрлі жолдармен қатая алады. Полиморфизм – қатты дененің бірден көп кристаллдық түрде болу қабілеті. Мысалы, су мұзы әдетте гексагонды Ice Ih түрінде кездеседі, бірақ кубтық Ice Ic, ромбоэдрлі Ice II және тағы да көптеген түрлерде де болуы мүмкін. Әртүрлі полиморфтар әдетте әртүрлі фазалар деп аталады. Сонымен қатар, бірдей атомдар кристаллдық емес фазаларды да құрауы мүмкін. Мысалы, су аморфты мұз түрінде де болуы мүмкін, ал SiO2 – қорытылған кремнийді (аморфты шыны) және кварцты (кристалл) құрай алады. Егер зат кристаллдар түзсе, онда ол поликристаллдар да түзетіні сөзсіз. Таза химиялық элементтер үшін полиморфизм аллотропия деп аталады. Мысалы, алмаз бен графит – көміртегінің кристаллдық түрлері, ал аморфты көміртек – кристаллдық емес түр. Полиморфтар, бірдей атомдардан тұрғанына қарамастан, өте әртүрлі қасиеттерге ие болуы мүмкін. Мысалы, алмаз – белгілі ең қатты зат, ал графит соншалықты жұмсақ болғандықтан, майлау құралы ретінде қолданылады. Шоколад алты түрлі кристаллдар түзетінімен, конферия мен шоколад таяқшалары үшін қажетті қаттылық пен балқу температурасына тек біреуі ғана ие. Болаттың полиморфизмі оның қыздыру арқылы өңделу қабілетіне жауапты, осының арқасында оған кең ауқымды қасиеттер беріледі. Полияморфизм – ұқсас құбылыс, онда бірдей атомдар бірден көп аморфты қатты түрде болуы мүмкін.

Кристалдану

Кристалдану – сұйықтықтан немесе сұйықтыққа еріген заттардан кристалдық құрылымның қалыптасу процесі. (Сирек жағдайларда кристалдар тікелей газ фазасынан да түзілуі мүмкін; қараңыз: эпитаксия және қырау.) Кристалдану – күрделі және жан-жақты зерттелген сала, себебі жағдайларға байланысты бір сұйықтық көптеген түрлі нысандарға қатып қалуы мүмкін. Ол бір кристалл түрінде, әртүрлі фазалармен, стехиометриямен, қоспалармен, кемшіліктермен және пішімдермен қалыптасуы мүмкін. Немесе, ол поликристалл түрінде қалыптасуы мүмкін, онда түйіршіктердің мөлшері, орналасуы, бағыты және фазасы әртүрлі болуы мүмкін. Қатты дененің соңғы түрі сұйықтықтың химиялық құрамы, сыртқы қысым, температура және осы параметрлердің өзгеру жылдамдығы сияқты сұйықтық қатып жатқан жағдайларға байланысты анықталады. Ірі бір кристаллдарды (буль деп аталады) өндіруге арналған арнайы өнеркәсіптік әдістерге Czochralski процесі және Бриджман әдісі жатады. Заттың физикалық қасиеттеріне байланысты кристалданудың басқа да, азырақ экзотикалық әдістері қолданылуы мүмкін, оның ішінде гидротермальдық синтез, сублимация немесе еріткіш негізіндегі кристалдану. Ірі бір кристаллдар геологиялық процестер арқылы да пайда болуы мүмкін. Мысалы, Мексикадағы Найка үңгірінде 10 метрден асатын селенит кристалдары табылған. Геологиялық кристаллдардың қалыптасуы туралы толық ақпарат алу үшін жоғарыдағы бөлімді қараңыз. Кристаллдар биологиялық процестер арқылы да пайда болуы мүмкін, жоғарыдағы бөлімді қараңыз. Керісінше, кейбір организмдер кристалданудың алдын алу үшін арнайы техникаларды пайдаланады, мысалы, антифриз ақуыздары.

Ақаулар, кірлер және дүйімшелік

Идеалды кристалда әрбір атом нақты, қайталама үлгіде орналасқан. Дегенмен, шындығында, көптеген кристалл материалдарында кристаллографиялық ақаулардың әртүрлі түрлері кездеседі, яғни кристаллдың үлгісі бұзылған жерлер. Осы ақаулардың түрлері мен құрылымы материалдың қасиеттеріне зор әсер ете алады. Кристаллографиялық ақаулардың мысалдарына бос орын ақаулары (атомның орнындағы бос кеңістік), интерстициалдық ақаулар (атомның сәйкес келмейтін жеріне сығысып кірген артық атом) және дислокациялар (оң жақтағы суретті қараңыз) жатады. Дислокациялар материалтануда өте маңызды, себебі олар материалдың механикалық күшін анықтауға көмектеседі. Кристаллографиялық ақаулардың тағы бір жиі кездесетін түрі – қоспа, яғни кристалда «бұрыс» типтегі атомның болуы. Мысалы, алмастың таза кристаллы тек көміртек атомдарынан тұрады, бірақ нақты кристалда бірнеше бор атомдары да болуы мүмкін. Бұл бор қоспалары алмастың түсін ақшыл көгілдірге өзгертеді. Сонымен қатар, рубин мен сапфирдің арасындағы айырмашылық – корунд кристалдарындағы қоспалардың түрі. Жартылай өткізгіштерде допант деп аталатын ерекше қоспа кристалдың электрлік қасиеттерін күрт өзгертеді. Транзисторлар сияқты жартылай өткізгіш құрылғылар, негізінен, әртүрлі жартылай өткізгіш допанттарды белгілі бір үлгіде әртүрлі орындарға орналастыру арқылы жасалады. Түйінделу (twinning) – кристаллографиялық ақау мен дән шекарасының арасындағы құбылыс. Дән шекарасы сияқты, түйінделу шекарасының екі жағында да әртүрлі кристалл бағыттары болады. Бірақ түйіршік шекарасынан айырмашылығы, бұл бағыттар кездейсоқ емес, нақты, көмескі бейнеде байланысты. Мозаикалық құрылым – кристалл жазықтықтарының бағыттарының шашырауы. Мозаикалық кристалл кіші кристалл бірліктерден тұрады, олар бір-біріне қатысты шамалы бұрышпен орналасқан.

Химиялық байланыстар

Жалпы, қатты денелер әртүрлі химиялық байланыстар арқылы біріктірілуі мүмкін, мысалы, металдық байланыстар, иондық байланыстар, ковалентті байланыстар, Ван дер Ваальс байланыстары және тағы да басқалары. Бұлардың ешқайсысы міндетті түрде кристалликалық немесе кристалликалық емес болып келеді. Дегенмен, мынадай жалпы тенденциялар бар:

Металдар жылдам кристалданады және көбінесе поликристалликалық болады, бірақ аморфты металдар мен монокристаллды металдар сияқты ерекшеліктер де бар. Соңғылары синтетикалық жолмен өсіріледі, мысалы, истребитель ұшағының турбиналары әдетте, ең алдымен титан қорытпасының монокристалын өсіру арқылы жасалады, бұл оның беріктігі мен балқу температурасын поликристалликалық титаннан жоғарылатады. Шағын металл бөлігі табиғи түрде монокристаллға айналуы мүмкін, мысалы, 2-түрлі телурлі темір, бірақ үлкен бөліктерде өте баяу салқындамаса, мұндай жағдай болмайды. Мысалы, темір метеориттері көбінесе монокристаллдан немесе ғарыш вакуумында өте баяу салқындату нәтижесінде пайда болған бірнеше метрлік үлкен кристаллдардан тұрады. Баяу салқындату кристалл торында жеке фазаның шөгуіне мүмкіндік береді, олар тор арқылы анықталатын белгілі бір бұрыштарда пайда болады, бұлар Видманштеттен құрылымдары деп аталады. Иондық қосылыстар әдетте металлдың металл емес элементпен, мысалы, натрийдің хлормен әрекеттесуінен түзіледі. Бұл заттар көбінесе тұздар деп аталады, мысалы, натрий хлориді (ас тұзы) немесе калий нитраты (салтынай), олардың кристалдары көбінесе хрупқы және салыстырмалы түрде оңай жарылады. Иондық материалдар әдетте кристалликалық немесе поликристалликалық болады. Іс жүзінде, ірі тұз кристалдарын балқыған сұйықтықты қатыру арқылы немесе ерітіндіден кристалдану арқылы жасауға болады. Кейбір иондық қосылыстар өте қатты болуы мүмкін, мысалы, рубин және синтетикалық сапфир сияқты көптеген қымбат тастарда кездесетін алюминий оксиді. Ковалентті байланысқан қатты денелер (кейде ковалентті торлы қатты денелер деп аталады) әдетте көміртек немесе кремний және оттегі сияқты бір немесе бірнеше металл емес элементтерден түзіледі және көбінесе өте қатты, берік және хрупқы болады. Бұлар да кең таралған, ең танымал мысалдары – алмаз және кварц. Ван дер Ваальс күштерінің әлсіздігі кейбір кристалдарды, мысалы, кристалликалық молекулалық қатты денелерді, сондай-ақ графиттегі қабаттар аралық байланыстарды біріктіруге көмектеседі. Майлар, липидтер және балауыз сияқты заттар молекулалық байланыстарды түзсе, олардың ірі молекулалары атомдық байланыстар сияқты тығыз орналаспайды. Бұл кристаллдардың әлдеқайда жұмсақ болуына және оңай бөлінуіне немесе сынуына әкеледі. Көрінетін мысалдарға шоколад, шам немесе вирустар жатады. Су мұзы мен құрғақ мұз молекулалық байланысы бар басқа материалдардың мысалы болып табылады. Полимерлік материалдар әдетте кристалликалық аймақтарды құрайды, бірақ молекулалардың ұзындығы көбінесе толық кристалдануға кедері келтіреді және кейде полимерлер толығымен аморфты болады.

Metals crystallize rapidly and are almost always polycrystalline, though there are exceptions like amorphous metal and single crystal metals. The latter are grown synthetically, for example, fighter jet turbines are typically made by first growing a single crystal of titanium alloy, increasing its strength and melting point over polycrystalline titanium. A small piece of metal may naturally form into a single crystal, such as Type 2 telluric iron, but larger pieces generally do not unless extremely slow cooling occurs. For example, iron meteorites are often composed of single crystal, or many large crystals that may be several meters in size, due to very slow cooling in the vacuum of space. The slow cooling may allow the precipitation of a separate phase within the crystal lattice, which form at specific angles determined by the lattice, called Widmanstatten patterns. Ionic compounds typically form when a metal reacts with a non metal, such as sodium with chlorine. These often form substances called salts, such as sodium chloride (table salt) or potassium nitrate (saltpeter), with crystals that are often brittle and cleave relatively easily. Ionic materials are usually crystalline or polycrystalline. In practice, large salt crystals can be created by solidification of a molten fluid, or by crystallization out of a solution. Some ionic compounds can be very hard, such as oxides like aluminium oxide found in many gemstones such as ruby and synthetic sapphire. Covalently bonded solids (sometimes called covalent network solids) are typically formed from one or more non metals, such as carbon or silicon and oxygen, and are often very hard, rigid, and brittle. These are also very common, notable examples being diamond and quartz respectively. Weak van der Waals forces also help hold together certain crystals, such as crystalline molecular solids, as well as the interlayer bonding in graphite. Substances such as fats, lipids and wax form molecular bonds because the large molecules do not pack as tightly as atomic bonds. This leads to crystals that are much softer and more easily pulled apart or broken. Common examples include chocolates, candles, or viruses. Water ice and dry ice are examples of other materials with molecular bonding. Polymer materials generally will form crystalline regions, but the lengths of the molecules usually prevent complete crystallization—and sometimes polymers are completely amorphous.

Квазикристалдар

Квазикристалл атомдардың реттелген, бірақ қатаң периодты емес тізімінен тұрады. Олардың қалыпты кристаллдармен ортақ көптеген қасиеттері бар, мысалы, рентген сәулелерінің дифракциясында дискретті сурет көрсету және тегіс, жалпақ беттері бар нысандарды құру қабілеті. Квазикристаллдар ең алдымен бес еселі симметрияны көрсету мүмкіндігімен танымал, бұл қалыпты периодты кристалл үшін мүмкін емес (кристаллографиялық шектеу теоремасын қараңыз). Халықаралық кристаллография одағы "кристалл" терминін қалыпты периодты кристаллдар мен квазикристаллдарды ("негізінен дискретті дифракциялық суреті бар кез келген қатты зат") қамтитын етіп қайта анықтады. 1982 жылы алғаш рет ашылған квазикристаллдар практикада сирек кездеседі. 2004 жылы белгілі болған шамамен 400 000 периодты кристаллға қарағанда, квазикристалл құрайтын бар болғаны 100-ге жуық қатты денелер белгілі. 2011 жылғы химия саласындағы Нобель сыйлығы квазикристаллдарды ашқандығы үшін Дэн Шехтманға табысталды.

Анизотропияның ерекше қасиеттері

Кристаллдар шыны мен поликристаллдарға тән емес белгілі бір электрлік, оптикалық және механикалық қасиеттерге ие болуы мүмкін. Бұл қасиеттер кристаллдың анизотропиясымен байланысты, яғни оның атомдық құрылымында айналу симметриясының болмауымен. Мұндай қасиеттердің бірі – пиезоэлектрлік эффект, онда кристаллға кернеу түсіргенде ол қысқаруы немесе созылуы мүмкін. Тағы бір қасиеті – қос сындыру, яғни кристалл арқылы қарағанда екі сурет көрінеді. Сонымен қатар, кристаллдың электр өткізгіштігі, диэлектрлік өтімділігі және Янг модулі сияқты әртүрлі қасиеттері кристаллдың әртүрлі бағыттарында өзгеше болуы мүмкін. Мысалы, графит кристалдары жапырақшалардан тұрады, және әрбір жеке жапырақша механикалық тұрғыдан өте берік болғанымен, жапырақшалар бір-бірімен салыстырмалы түрде бос байланысқан. Сондықтан материалдың механикалық беріктігі кернеу бағытына қарай айтарлықтай өзгереді. Барлық кристалдардың барлық қасиеттері бірдей болмайды. Керісінше, бұл қасиеттер кристалдарға ғана тән емес. Олар жұмыс жасау немесе күш түсіру арқылы анизотроптыққа жеткізілген шыныларда немесе поликристаллдарда да пайда болуы мүмкін, мысалы, күштің әсерінен туындаған қос сындыру.

Кристаллография

Кристаллография – кристаллдың құрылымын (яғни, атомдардың орналасуын) өлшеу ғылымы. Кристаллографияда кеңінен қолданылатын техникалардың бірі – рентгендік сәулелердің дифракциясы. Белгілі көптеген кристалл құрылымдары кристаллографиялық деректер базаларында сақталады.