Что такое кристаллы?
Кристаллы — это твердые вещества, в которых атомы, молекулы или ионы расположены в упорядоченном и повторяющемся порядке, охватывающем все три пространственных измерения. Процесс, в ходе которого кристаллы образуются и растут, называется кристаллизацией. Рост кристаллов — это ключевая стадия этого процесса, которая включает добавление новых частиц к уже существующей кристаллической решетке. Обычно рост кристаллов происходит после начальной стадии, которая может быть как гомогенной, так и гетерогенной. В некоторых случаях для начала роста может быть использован затравочный кристалл, который служит основой для дальнейшего формирования.
Свойства кристаллического состояния
Когда кристаллы растут, они образуют твердые вещества, в которых атомы или молекулы плотно упакованы и занимают фиксированные позиции относительно друг друга. Кристаллическое состояние характеризуется высокой структурной жесткостью и устойчивостью к деформации, что отличает его от жидкостей, которые могут легко изменять свою форму и объем. Большинство кристаллических материалов обладают высокими значениями модуля Юнга и модуля упругости сдвига, что делает их прочными и надежными.
Стадия роста кристаллов
После того как стабильное ядро кристалла сформировано, начинается стадия роста. На этом этапе свободные частицы, такие как атомы или молекулы, адсорбируются на ядре и расширяют его кристаллическую структуру. Этот процесс происходит значительно быстрее, чем начальная стадия зародышеобразования. Быстрый рост кристаллов объясняется тем, что реальные кристаллы содержат дефекты, такие как дислокации, которые действуют как катализаторы для добавления новых частиц. В отличие от этого, идеальные кристаллы, не имеющие дефектов, растут очень медленно. Примеси в кристаллах могут как ускорять, так и замедлять процесс роста, а также изменять форму кристаллов.
Зародышеобразование
Зародышеобразование, которое предшествует росту кристаллов, может быть гомогенным или гетерогенным. Гомогенное зародышеобразование происходит без влияния посторонних частиц, тогда как гетерогенное зародышеобразование происходит с их участием. Обычно гетерогенное зародышеобразование происходит быстрее, так как посторонние частицы служат каркасом для роста кристаллов, что снижает потребность в создании новой поверхности и уменьшает затраты энергии.
Гетерогенное зародышеобразование
Гетерогенное зародышеобразование может происходить различными способами. Например, небольшие включения или царапины на стенках контейнера, в котором происходит рост кристаллов, могут служить центрами для их формирования. При выращивании кристаллов часто добавляют в раствор посторонние вещества, такие как нити или камни, чтобы создать дополнительные места для зародышеобразования и ускорить процесс кристаллизации. Количество центров зародышеобразования можно контролировать, изменяя состояние контейнера. Например, новый, гладкий контейнер может не позволить кристаллам образоваться, в то время как сильно поцарапанный контейнер приведет к образованию множества мелких кристаллов. Для получения кристаллов среднего размера лучше всего использовать контейнер с несколькими царапинами. Добавление затравочных кристаллов также может помочь в создании центров зародышеобразования.
Механизмы роста кристаллов
Механизмы роста кристаллов могут быть различными. Граница между кристаллом и его паром может быть молекулярно резкой при температурах, значительно ниже точки плавления. Идеальная кристаллическая поверхность растет путем добавления отдельных слоев или бокового продвижения ступеней роста, которые ограничивают слои. Для ощутимых скоростей роста необходима определенная движущая сила, которая позволяет снизить барьер зародышеобразования. В теории роста кристаллов из расплава выделяют два основных механизма: неравномерный боковой рост и равномерный нормальный рост.
Неравномерный боковой рост
Неравномерный боковой рост происходит за счет бокового движения ступеней, которые равны одному межплоскостному расстоянию. Элемент поверхности не изменяется и не движется перпендикулярно себе, за исключением прохождения ступени. В этом случае ступенька рассматривается как переход между двумя соседними областями поверхности, которые параллельны друг другу.
Равномерный нормальный рост
Равномерный нормальный рост, в свою очередь, происходит без необходимости в механизме ступенчатого роста. Это означает, что при наличии достаточной термодинамической движущей силы рост кристаллов может происходить равномерно по всей поверхности.
