Что такое дисклинации?
Дисклинация — это линейный дефект в кристаллической структуре, при котором возникает угловой зазор. Впервые это явление было описано итальянским математиком Вито Вольтеррой в 1907 году. Он изучал упругие деформации, вызванные клиновыми дисклинациями. Позже, в 1950-х годах, Фредерик Чарльз Франк ввел термин «наклон», который позже закрепился как «дисклинация». С тех пор это явление активно изучалось, в том числе Роландом ДеВитом, который внес значительный вклад в его понимание.
Дисклинации характеризуются двумя основными элементами: угловым вектором (известным как вектор Франка) и линией дисклинации. Если вектор и линия совпадают, такая дисклинация называется клиновой. Она часто встречается в пятиугольных наночастицах. Если же вектор Франка и линия дисклинации расположены под прямым углом, то это скручивающая дисклинация. Между дисклинациями и дислокациями существует тесная связь. Как показал Джон Д. Эшелби, движение дислокации может изменить положение дисклинации.
Где возникают дисклинации?
Дисклинации встречаются в самых разных материалах: от жидких кристаллов до наночастиц и упруго деформированных материалов. Например, в жидких кристаллах они влияют на оптические свойства, что важно для производства дисплеев. В наночастицах дисклинации могут изменять механические и тепловые характеристики, что делает их интересными для разработки новых материалов.
Дисклинации в двумерных и трехмерных материалах
В трехмерных материалах дисклинации и дислокации представляют собой линейные дефекты. Однако в двумерных материалах они становятся точечными. Такие дефекты играют ключевую роль в теории плавления двумерных кристаллов, известной как теория KTHNY. Эта теория описывает два перехода, открытых Костерлицем и Таулессом, которые объясняют, как двумерные материалы переходят из твердого состояния в жидкое.
Двумерные кристаллы, состоящие из частиц одинакового размера, обычно образуют гексагональную структуру. В такой структуре каждая частица имеет шесть ближайших соседей. Однако локальные деформации, например, вызванные тепловым движением, могут привести к появлению частиц с координационным числом, отличным от шести. Обычно это пять или семь соседей. Такие дефекты называются дисклинациями. Поскольку они являются топологическими, их можно создавать только парами. Это означает, что в двумерном кристалле всегда будет равное количество пятикратных и семикратных дисклинаций.
Как дисклинации влияют на свойства материалов?
Дисклинации — это не просто дефекты, они активно влияют на свойства материалов. Например, чтобы превратить часть гексагонального массива в пятикратную дисклинацию, необходимо удалить треугольный клин из шестиугольных элементов. Для создания семикратной дисклинации, наоборот, нужно вставить такой клин. Эти процессы изменяют симметрию кристалла: для пятикратной дисклинации она увеличивается до 72°, а для семикратной — уменьшается до примерно 51,4°.
Такие изменения накапливают упругую энергию, что может повлиять на механические свойства материала. Например, в наночастицах дисклинации могут привести к появлению новых фаз или изменению теплопроводности. В жидких кристаллах они влияют на ориентацию молекул, что важно для создания дисплеев с высоким разрешением.
Практическое применение дисклинаций
Дисклинации не просто интересны с научной точки зрения, они также имеют практическое применение. Например, в производстве жидкокристаллических дисплеев (LCD) контроль над дисклинациями позволяет улучшить качество изображения. В нанотехнологиях понимание этих дефектов помогает создавать материалы с уникальными свойствами, такими как повышенная прочность или теплопроводность.
В металлургии дисклинации могут быть использованы для улучшения механических характеристик материалов. Например, управление дислокациями и дисклинациями позволяет создавать сплавы, которые выдерживают экстремальные нагрузки. Это особенно важно для аэрокосмической и автомобильной промышленности, где материалы должны быть одновременно легкими и прочными.
Дисклинации и жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы — это особое состояние вещества, которое сочетает свойства как жидкостей, так и твердых тел. В таких материалах дисклинации играют важную роль, влияя на ориентацию молекул. Это особенно важно для производства дисплеев, где каждая молекула жидкого кристалла должна быть правильно ориентирована, чтобы обеспечить четкое изображение.
Контроль над дисклинациями в жидких кристаллах позволяет создавать дисплеи с более высоким разрешением и меньшим энергопотреблением. Это делает их идеальными для использования в смартфонах, планшетах и телевизорах.
Дисклинации в наноматериалах
В наноматериалах дисклинации могут приводить к появлению новых свойств, таких как повышенная прочность или теплопроводность. Например, в углеродных нанотрубках дисклинации могут изменять их электрические свойства, что делает их интересными для использования в электронике.