Удивительные свойства кристаллов

МНОГИЕ ВЕРЯТ в их мифические целительные способности, некоторые просто стараются сделать свое жилище похожим на лабораторию волшебника Мерлина, принося их в дом, — как ни крути, кристаллы стали неотъемлемой частью окружающего нас мира. Их формам, цветам и размерам нет числа. Среди них есть широко распространенные в природе и при этом обладающие необычайными свойствами, а есть и настолько редкие, что могут служить особо ценными украшениями. Гиганты, изображенные на этом развороте, были найдены в 300 м под землей неподалеку от города Найка в Мексике. Там залегает особая разновидность гипса — селенит, самые крупные образцы которого достигают 11 м в длину и весят около 55 т.

Это чудо природы так и осталось бы лишь модным аксессуаром, если бы не научный прогресс, открывший нам секреты кристаллов. Впервые их начали изучать 100 лет назад при помощи техники рентгеноструктурного анализа. Чтобы отметить эту памятную дату и привлечь внимание к научным методам исследований кристаллов, составляющих основу современных технологий, ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии. В нашем материале вы узнаете о наиболее выдающихся представителях семейства кристаллов.

ИКОСАЭДРИТ И КВАЗИКРИСТАЛЛЫ

В НАЧАЛЕ 1980-Х годов ученый из Израиля Дан Шехтман (Dan Shechtmao занимался изучением сплавов алюмния, в одном из которых он обнаружил упорядоченную структуру, не имевшую повторяющихся последовательностей.

Это открытие противоречило доминировавшим в то время представлениям о кристаллах, и Шехтман опасался негативной реакции научных кругов. Но в 2011 году за эти исследования он был удостоен Нобелевской премии по химии. Структуры, получившие название квазикристаллов, напоминают мавров из древней Альгамбры.

После Шехтмана в лабораториях по всему миру были синтезированы сотни квазикристаллов, но лишь в 2010 году нашли материал природного происхождения. Он в буквальном смысле свалился нам на голо-ву в составе метеорита, упавшего в Корякских горах в России, и назвали его икосаэдрит.

КВАРЦ

ОДИН ИЗ САМЫХ распространенных минералов, его решетка состоит из атомов кремния и кислорода. Он обладает весьма полезным свойством: при механической деформации — сжатии или изгибе — на поверхности возникает электрический заряд. Так называемый пьезоэлектрический эффект является обратимым: если к кварцевому кристаллу приложить заряд, он согнется. Стоит пустить электрические импульсы — и наш кусочек кварца начнет колебаться.

Этот принцип применяется в устройствах для измерения времени. Частота колебаний определяется размерами кристалла, его формой и способом подачи тока. Чаще всего используют вибрации с частотой 32 768 герц. Цифровой счетчик фиксирует количество колебаний и раз в секунду дает сигнал на перемещение стрелки часов. При постоянной температуре такие часы обладают отличной точностью хода. В случае наручных часов стабильность обеспечивается теплом человеческого тела.

БРИЛЛИАНТ РОЗОВАЯ ЗВЕЗДА

В НОЯБРЕ прошлого года в Женеве был продан самый дорогой в истории человечества бриллиант — 83 млн долларов (позднее у покупателя возникли трудности с оплатой). Величина «Розовой звезды», весящей 59,6 карата (11,92 г), равна 2,69 х 2,06 см. Как и у других бриллиантов, каждый атом углерода в решетке связан с четырьмя соседними, и благодаря такой плотной и прочной структуре алмазы по твердости превосходят все остальные минералы.

Самые чистые бриллианты бесцветны, а своим разнообразным оттенкам — розовому, коричневому и красному — они обязаны дефектам в кристаллической решетке. Именно оказавшиеся в ее структуре инородные элементы заставляют камни блистать желтоватыми и зеленоватыми оттенками, а иногда отливать синевой.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ЖК-МАТРИЦЫ

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, что, когда готовите обыкновенную морковь, вы можете случайно получить жидкие кристаллы? Впервые это заметил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (Friedrich Reinitzer) в 1888 году, пытаясь выделить холестерин из овощей. Проводя исследования, он заметил, что молекулы в приготовленном им мутном растворе упорядочились в повторяющиеся цепочки, напоминающие устройство твердых кристаллов.

С тех пор были открыты и другие формы, например нематические жидкие кристаллы, применяемые в большинстве современных телевизоров и дисплеев. В них молекулы вещества упорядочены параллельно, но если приложить напряжение, они меняют ориентацию и иначе пропускают свет. Внутри ЖК-экрана есть очень тонкий слой нематических жидких кристаллов, заключенных между парой прозрачных электродов, к которым подводится напряжение. Для получения необходимых цветов используются красные, зеленые и синие фильтры.

ЦЕОЛИТ И МИКРОКРИСТАЛЛЫ

РАЗМЕР САМЫХ крошечных представителей мира кристаллов — около 100 нм в сечении, что в 800 раз тоньше человеческого волоса! Они называются ITQ-43, и чтобы разглядеть их структуру, д-ру Уте Колбу (Ute Kolb) из Майнцского университета (Германия) пришлось разработать новую технику исследований — электронную дифракционную томографию. Так удалось обнаружить повторяющиеся каналы в форме четырехлистного клевера, в свою очередь пронизанные каналами меньших размеров.

Они играют роль воронки, через которую могут протискиваться молекулы других веществ. Благодаря такому устройству ITQ-43 и остальные цеолиты (слева) имеют целый ряд применений: от катализаторов химических реакций до фильтрующих элементов в аквариумах. Кристаллы ITQ-43 пронизаны порами мелких и средних размеров, такую структуру задают образующие их атомы кремния и германия. Эти необычные конструкции были созданы группой ученых из Испании и Китая.