10 fakta om krystallografi

10 fakta om krystallografi

Artyom Oganov,
Professor i Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet og Det Fakultet for Fysik og Astronomi ved Statens Universitet i New York
"Trinity Option" №15 (84), 2. august 2011

  1. Krystallografi er en tværfaglig videnskab om atomernes struktur og egenskaber, en slags bro mellem fysik, kemi, materialevidenskab, geologi og planetologi og biologi. Grundlæggeren af ​​krystallografi er Dane Nikolay Stenon (Niels stensen, 1638-1686), som formulerede vinklenes lov om vinklerne mellem krystallerne, som blev den første lov om krystallografi (1669). Stenon blev senere biskop, levet et asketisk liv og blev kanoniseret af den katolske kirke.
  2. De fleste materialer er krystaller. En krystal er en solid krop, hvis atomstruktur har en translationel periodicitet. Ud over periodicitet besidder krystaller ofte andre elementer af symmetri (aksial, plan og inversion). Antallet af forskellige krystalstrukturer er uendeligt, men de tilhører alle 230 symmetrigrupper, først afledt i 1890 af E. S. Fedorov (1853-1919).
  3. Strukturen af ​​krystallerne bestemmes af diffraktionsfænomenet,da positionen og intensiteten af ​​de diffrakterede stråler (røntgen-, neutron-, elektron-, gammastråler) indeholder information om arrangementet af atomer i strukturen. De første strukturer blev løst af U.G. og U.L. Braggie i 1913, og selve fænomenet røntgendiffraktion på krystaller blev opdaget af M. von Laue i 1912. Nu er det også muligt at forudsige strukturen af ​​krystaller på en pålidelig måde, for eksempel ved hjælp af evolutionære algoritmer. Krystallografiske metoder anvendes til at bestemme strukturen af ​​biomolekyler (DNA, proteiner, etc.).
  4. Ved hjælp af røntgendiffraktion kan man bestemme detaljerne for elektrondensitetsfordelingen i krystaller og analysere den kemiske binding. Neutrondiffraktion giver information om rotationsdensiteten. Begge typer diffraktion giver information om størrelsen af ​​termiske forskydninger af atomer og graden af ​​lidelse. Disse data er som regel i god overensstemmelse med resultaterne af kvantemekaniske beregninger.

    (ogA) Krystalstruktur af is, som viser placeringen af ​​molekylerne H2A. Krystal er karakteriseret ved periodisk struktur.
    (b) M-kulstof, en ny modifikation af kulstof, hvis struktur kun blev forstået i 2006-2009.(A. R. Oganov, Q. Li)

  5. Typen af ​​kemisk binding og krystalstrukturen bestemmes af atomernes egenskaber – deres radier, elektronegativiteter og polarisationer. Disse egenskaber afhænger af atomernes atmosfære i krystal og er stort set betinget. Der er flere systemer med radii og elektronegativitetsskalaer.
  6. Krystal – selvom den mest almindelige, men kun en af ​​de kendte former for fast materiale med lang rækkefølge. Disproportionelle faser er også kendt (de har en grundlæggende periodisk struktur forstyrret af en periodisk bølge, så periodiciteten forsvinder i den resulterende struktur, eller der er to periodiske understrukturer, hvor forholdet mellem perioder er irrationelt, hvilket fører til tab af strukturens samlede periodicitet) og kvasikrystaller.
  7. Quasicrystals, en særlig tilstand med materiel med lang rækkefølge, men uden translationelle periodicitet, blev opdaget i 1982 af D. Shechtman. Et antal symmetrielementer (akser af 5., 7. og højere ordre) er uforenelige med tredimensionelle periodicitet. Kendte kvasikrystaller med symmetriakser af 5., 8., 10. og 12. orden. Alle kendte kvasikrystaller er legeringer, supramolekylære aggregater eller aggregater af kolloide partikler. Ikke en enkelt ion kvasikrystal er kendt. (og) Gamma-bor, en ny superhard modifikation af bor, åbnede i 2007 (Oganov, 2009) og besidder den unikke karakter af kemisk binding.
    (b) Krystalstrukturen af ​​en ikke-metallisk transparent modifikation af natrium, forudsagt og derefter opnået ved et tryk på over 2 millioner atmosfærer. Orange "clouds" viser områder af lokalisering af valenselektroner.
    (i) Selv en egenskab som farve afhænger generelt af retning, som vist her for cordierite (Mg, Fe)2Al4Si5O18.
  8. Strukturen af ​​en krystal bestemmer mange af dens egenskaber. I modsætning til briller og væsker kan krystaller have en række interessante egenskaber (ferroelektriske, piezoelektriske, dobbeltbrydelser), og deres egenskaber kan afhænge af retning. Når tryk og temperatur ændres, kan strukturen ændre sig (dette kaldes en faseovergang). Fasetransitioner er af den første type (en hoppelignende ændring i strukturen og alle egenskaber) eller af den anden slags (strukturen og delene af egenskaberne ændres jævnt, og symmetrien og nogle egenskaber ændrer sig på en hoplignende måde). Faseovergange, der forekommer i Jordens mantel, forklarer de dramatiske ændringer i egenskaberne af jordens sten med dybde registreret af seismologer. Trykket i Jordens centrum er 3,64 millioner atmosfærer.
  9. Kemien af ​​et stof ændrer sig markant under pres, og meget forstås ikke fuldt ud. Især simple metaller (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) under tryk danner ekstremt komplekse strukturer, som endnu ikke er fuldstændigt forklaret. Samtidig forstås sådanne overraskende fakta som metalliseringen og overgangen af ​​oxygen og svovl til superledende tilstand og natriumtabet af metallicitet under tryk.
  10. En stor opmærksomhed hos forskere og praktikere er også tiltrukket af fotoniske krystaller – metamaterialer, hvor brydningsindekset ændres med en frekvens, som er sammenlignelig med lysets bølgelængde. Photonic krystaller har egenskaberne af optiske filtre. Et eksempel på en naturlig fotonisk krystal er opal, der består af periodisk lokaliserede kugler af amorf silica.

Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: