КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 16. Москва, 2010, стр. 45

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. П. Коверда

КРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ, об­ра­зо­ва­ние кри­стал­лов из рас­пла­вов, рас­тво­ров, га­зо­вой фа­зы или плаз­мы, а так­же из аморф­ных ве­ществ или кри­стал­лов др. струк­ту­ры. В про­цес­се К. ато­мы, мо­ле­ку­лы или ио­ны ве­ще­ст­ва вы­страи­ва­ют­ся в кри­стал­ли­че­скую ре­шёт­ку. К. яв­ля­ет­ся не­рав­но­вес­ным фа­зо­вым пе­ре­хо­дом 1-го ро­да. Ус­ло­вия рав­но­ве­сия кри­стал­ла со сре­дой (рас­пла­вом, па­ром, рас­тво­ром и др.) оп­ре­де­ля­ют­ся как фа­зо­вое рав­но­ве­сие аг­ре­гат­ных со­стоя­ний ве­ще­ст­ва при фа­зо­вых пе­ре­хо­дах 1-го ро­да: ра­вен­ст­во темп-ры, дав­ле­ния и хи­мич. по­тен­циа­ла. Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие рос­та кри­стал­ла – от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия, оп­ре­деля­емое пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ем (от­ли­чи­ем темп-ры от рав­но­вес­ной) и пе­ре­сы­ще­ни­ем (от­ли­чи­ем дав­ле­ния или кон­цен­тра­ции от рав­но­вес­ных зна­че­ний). Тер­мо­ди­на­мич. дви­жу­щая си­ла фа­зо­во­го пе­ре­хо­да тем вы­ше, чем боль­ше от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия. Пе­ре­ход ве­ще­ст­ва в кри­стал­лич. фа­зу со­про­во­ж­да­ет­ся вы­де­ле­ни­ем скры­той те­п­ло­ты К., и при не­пол­ном от­во­де этой те­п­ло­ты воз­мож­но умень­ше­ние от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия и за­мед­ле­ние про­цес­са. Как фа­зо­вый пе­ре­ход 1-го ро­да К. со­про­во­ж­да­ет­ся скач­ком удель­но­го объ­ё­ма по от­но­ше­нию к ис­ход­ной фа­зе, и это мо­жет при­во­дить к из­ме­не­нию дав­ле­ния в кри­стал­ли­зую­щей­ся сис­те­ме. Та­ким об­ра­зом, К. – это слож­ный про­цесс те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са, ко­то­рый управ­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­мич. и ки­не­тич. фак­то­ра­ми. Мно­гие из них труд­но кон­тро­ли­ро­вать. Уро­вень чис­то­ты, темп-ра и кон­цен­тра­ция ком­по­нен­тов в не­по­сред­ст­вен­ной бли­зо­сти к фа­зо­вой гра­ни­це, пе­ре­ме­ши­ва­ние, те­п­ло­об­мен мо­гут быть гл. фак­то­ра­ми, оп­ре­де­ляю­щи­ми раз­мер, чис­ло и фор­му воз­ни­каю­щих кри­стал­лов.

Центры кристаллизации

Про­цесс К. со­сто­ит из двух ста­дий: за­ро­ж­де­ние цен­тров К. и рост кри­стал­лов. На­чаль­ная ста­дия – за­ро­ж­де­ние цен­тров К. – пред­став­ля­ет со­бой об­ра­зо­ва­ние кла­сте­ров с ха­рак­тер­ной для кри­стал­ла упо­ря­до­чен­но­стью. Но ино­гда их струк­ту­ра мо­жет от­ли­чать­ся от струк­ту­ры ус­той­чи­во­го мак­ро­ско­пич. кри­стал­ла. Об­ра­зо­ва­ние та­ких кла­сте­ров в чис­тых жид­ко­стях или га­зах про­ис­хо­дит ни­же темп-ры плав­ления мас­сив­но­го кри­стал­ла в ре­зуль­та­те слу­чай­ных столк­но­ве­ний при те­п­ло­вом дви­же­нии ато­мов или мо­ле­кул. При темп-рах ни­же рав­но­вес­ной объ­е­ди­не­ние час­тиц в кри­стал­лич. кла­стер тер­мо­ди­на­ми­че­ски вы­год­но, но по­яв­ле­ние его но­вой по­верх­но­сти тре­бу­ет за­тра­ты энер­гии, что яв­ля­ет­ся пре­пят­ст­вую­щим фак­то­ром при за­ро­ж­де­нии цен­тров К. Чем мень­ше кла­стер, тем бóльшая до­ля час­тиц со­став­ля­ет его по­верх­ность. По­это­му при ма­лых раз­ме­рах боль­шин­ст­во кла­сте­ров рас­па­да­ет­ся вслед­ст­вие флук­туа­ций ко­ле­ба­тель­ной энер­гии час­тиц. С рос­том кла­сте­ра до­ля по­верх­но­ст­ной энер­гии умень­ша­ет­ся по от­но­ше­нию к объ­ём­ной энергии объ­е­ди­не­ния час­тиц, что по­вы­ша­ет ус­той­чи­вость кла­сте­ра. При за­дан­ном пе­ре­сы­ще­нии су­ще­ст­ву­ет кри­тич. раз­мер, при пре­вы­ше­нии ко­то­ро­го кла­сте­ры спо­соб­ны к даль­ней­ше­му рос­ту и ста­но­вят­ся цен­тра­ми кри­стал­ли­за­ции. 

Чис­лен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой ин­тен­сив­но­сти за­ро­ж­де­ния цен­тров К. яв­ля­ет­ся час­то­та за­ро­ды­ше­об­ра­зо­ва­ния (нук­леа­ции) – чис­ло цен­тров, воз­ни­каю­щих в еди­ни­цу вре­ме­ни в еди­ни­це объ­ё­ма сре­ды. Су­ще­ст­вую­щая тео­рия объ­яс­ня­ет тем­пе­ра­тур­ную за­ви­си­мость час­то­ты нук­леа­ции и свя­зы­ва­ет её с па­ра­мет­ра­ми сре­ды, в ко­то­рой идёт об­ра­зо­ва­ние цен­тров К. Для жид­ко­стей с ма­лой вяз­ко­стью, напр. для боль­шин­ст­ва рас­плав­лен­ных ме­тал­лов, тео­рия пред­ска­зы­ва­ет боль­шие пе­ре­ох­ла­ж­де­ния, при ко­то­рых долж­но на­блю­дать­ся спон­тан­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. При даль­ней­шем уве­ли­че­нии пе­ре­ох­ла­ж­де­ния час­то­та ну­кле­ации бы­ст­ро воз­рас­та­ет, дос­ти­гая мак­си­му­ма при темп-ре, при­бли­зи­тель­но рав­ной од­ной тре­ти темп-ры рав­но­ве­сия кри­стал­ла с рас­пла­вом. Бы­ст­рый спад час­то­ты за­ро­ж­де­ния цен­тров К. при ещё бо­лее низ­ких темп-рах обу­слов­лен за­мед­ле­ни­ем те­п­ло­во­го дви­же­ния и силь­ным воз­рас­та­ни­ем вяз­ко­сти. Для бо­лее вяз­ких жид­ко­стей мак­си­мум час­то­ты сдви­нут в сто­ро­ну бо­лее низ­ких пе­ре­ох­ла­ж­де­ний и са­ми зна­че­ния час­то­ты зна­чи­тель­но ни­же.

По­сколь­ку мн. па­ра­мет­ры тео­рии из­вест­ны с не­дос­та­точ­ной для рас­чё­тов точ­но­стью, важ­ную роль иг­ра­ют экс­пе­рим. дан­ные. При­бли­же­ние к иде­аль­ным ус­ло­ви­ям дос­ти­га­ет­ся ис­поль­зо­ва­ни­ем в опы­тах ма­лых ка­пель жид­ко­стей диа­мет­ром от не­сколь­ких мик­ро­мет­ров до на­но­мет­ров. При спон­тан­ном за­ро­ж­де­нии тре­бу­ют­ся боль­шие от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия, а цен­тры К. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся кри­тич. раз­ме­ром по­ряд­ка од­но­го на­но­мет­ра. Напр., для рас­пла­вов чис­тых ме­тал­лов на­блю­дае­мая в опы­тах темп-ра спон­тан­но­го за­ро­ж­де­ния цен­тров К. со­став­ля­ет 30–50% от темп-ры плав­ле­ния. Мн. си­ли­кат­ные рас­пла­вы при ох­ла­ж­де­нии во­об­ще за­твер­де­ва­ют без К., об­ра­зуя стёк­ла. Экс­пе­ри­мен­таль­но по­ка­за­но, что в вяз­ких жид­ко­стях про­цесс за­ро­ж­де­ния цен­тров К. не­ста­цио­на­рен. Это оз­на­ча­ет, что ха­рак­тер­ная для за­дан­но­го от­кло­не­ния от рав­но­ве­сия час­то­та за­ро­ж­де­ния цен­тров К. по­яв­ля­ет­ся толь­ко по ис­те­че­нии вре­ме­ни за­паз­ды­ва­ния, ко­то­рое мо­жет быть дос­та­точ­но боль­шим, срав­ни­мым или да­же пре­вы­шаю­щим вре­мя ох­ла­ж­де­ния об­раз­ца. Ме­тал­лич. рас­пла­вы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся зна­чи­тель­но мень­шей вяз­ко­стью, и по­дав­ле­ние спон­тан­но­го за­ро­ж­де­ния цен­тров К. для не­ко­то­рых спла­вов воз­мож­но лишь при очень бы­ст­ром ох­ла­ж­де­нии (со ско­ро­стью св. 106 К/c). Это ле­жит в ос­но­ве тех­но­ло­гии по­лу­че­ния аморф­ных ме­тал­лов. Ста­биль­ность аморф­но­го со­стоя­ния обес­пе­чи­ва­ет­ся силь­ным за­мед­ле­ни­ем об­ме­на ато­ма­ми ме­ж­ду кри­стал­лом и сре­дой при низ­ких темп-рах. На­блю­дать К. по­лу­чен­но­го та­ким об­ра­зом аморф­но­го со­стоя­ния мож­но при на­гре­ва­нии, уве­ли­чи­вая ин­тен­сив­ность те­п­ло­во­го дви­же­ния, а вы­де­ляю­щая­ся при этом скры­тая те­п­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да мо­жет су­ще­ст­вен­но ин­тен­си­фи­ци­ро­вать про­цесс, до­пол­ни­тель­но по­вы­шая темп-ру. Для не­ко­то­рых ве­ществ (гер­ма­ний, крем­ний, аморф­ный лёд) на­блю­да­ет­ся взрыв­ная К. аморф­но­го со­стоя­ния.

В за­гряз­нён­ных сре­дах цен­тры К. воз­ни­ка­ют на по­сто­рон­них кри­стал­лич. час­ти­цах при го­раз­до мень­ших от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия. Час­то­та за­ро­ж­де­ния цен­тров К. в та­ких слу­ча­ях за­ви­сит так­же от ма­те­риа­ла сте­нок со­су­да, дей­ст­вия из­лу­че­ний. За­ро­ды­ше­вые кри­стал­лы на хо­ро­шо сма­чи­ваю­щей­ся ори­ен­ти­рую­щей по­верх­но­сти име­ют при­бли­зи­тель­но ку­по­ло­об­раз­ную фор­му, за­трат­ная до­ля по­верх­но­ст­ной энер­гии у них мень­ше по срав­не­нию с объ­ём­ным вы­иг­ры­шем при аг­ре­ги­ро­ва­нии час­тиц в та­кой кри­стал­лик. По­это­му та­кое ге­те­ро­ген­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. про­ис­хо­дит при мень­ших пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ях. Кон­тро­ли­руе­мое ге­те­ро­ген­ное за­ро­ж­де­ние цен­тров К. ис­поль­зу­ет­ся, напр., при эпи­так­си­аль­ном по­лу­че­нии мо­но­кри­стал­лич. плё­нок. При вы­ра­щи­ва­нии на за­тра­воч­ном цен­тре К. круп­ных со­вер­шен­ных мо­но­кри­стал­лов, со­дер­жа­щих ми­ни­маль­но воз­мож­ное чис­ло де­фек­тов, не­об­хо­ди­мо из­бе­гать по­яв­ле­ния спон­тан­ных за­ро­ды­шей. Для это­го ис­поль­зу­ют не­боль­шое от­кло­не­ние от ус­ло­вий рав­но­ве­сия. В ме­тал­лур­гии при по­лу­че­нии кри­стал­лич. ма­те­риа­лов стре­мят­ся по­лу­чить макс. чис­ло цен­тров К., для че­го соз­да­ют глу­бо­кое пе­ре­ох­ла­ж­де­ние рас­пла­вов.

Механизмы роста кристаллов

Рис. 3. Атомно-шероховатая поверхность кристалла.
Рис. 2. Дислокационный рост кристалла: а – присоединение атома к ступени; б – схема развития ступени.
Рис. 1. Атомно-гладкая поверхность кристалла.

В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой яв­ля­ет­ся по­верх­ность кри­стал­ла в атом­ном мас­шта­бе – глад­кой или ше­ро­хо­ва­той, раз­ли­ча­ют два ме­ха­низ­ма рос­та кри­стал­лов: по­слой­ный и нор­маль­ный. Атом­но-глад­ким по­верх­но­стям обыч­но от­ве­ча­ют наи­бо­лее раз­ви­тые гра­ни с про­сты­ми кри­стал­ло­гра­фич. ин­дек­са­ми. Они со­дер­жат срав­ни­тель­но не­боль­шое чис­ло де­фек­тов: ва­кан­сий и ад­сор­би­ро­ван­ных ато­мов. Края не­за­вер­шён­ных атом­ных плос­ко­стей об­ра­зу­ют сту­пе­ни (рис. 1), ко­то­рые, в свою оче­редь, име­ют не­боль­шое чис­ло из­ло­мов. Эле­мен­тар­ный акт рос­та кри­стал­ла со­сто­ит в при­сое­ди­не­нии но­вой час­ти­цы к из­ло­му и не ме­ня­ет по­верх­но­ст­ную энер­гию. По­сле­до­ва­тель­ное при­сое­ди­не­ние час­тиц к из­ло­му при­во­дит к его дви­же­нию вдоль сту­пе­ни, а сту­пени по по­верх­но­сти – та­кой рост на­зы­ва­ет­ся по­слой­ным. Плот­ность сту­пе­ней при по­слой­ном рос­те за­ви­сит от ме­ха­низ­ма их ге­не­ра­ции. Сту­пе­ни мо­гут воз­ни­кать в ре­зуль­та­те об­ра­зо­ва­ния и рос­та дву­мер­ных за­ро­ды­шей. Про­цесс об­ра­зо­ва­ния дву­мер­ных за­ро­ды­шей, спо­соб­ных к даль­ней­ше­му рос­ту на атом­но-глад­кой по­верх­но­сти, име­ет не­ко­то­рую ана­ло­гию с об­ра­зо­ва­ни­ем цен­тров К. в жид­ко­сти. Дву­мер­ный за­ро­дыш так­же име­ет кри­тич. раз­мер, на­чи­ная с ко­то­ро­го он спо­со­бен к даль­ней­ше­му рос­ту. При аг­ре­ги­ро­ва­нии дву­мер­но­го за­ро­ды­ша пре­пят­ст­вую­щим фак­то­ром его раз­ви­тия при ма­лых раз­ме­рах яв­ля­ет­ся за­тра­та ра­бо­ты на ли­ней­ную энер­гию его пе­ри­мет­ра. Но с рос­том раз­ме­ра до­ля ли­ней­ной энер­гии пе­ри­мет­ра ста­но­вит­ся всё мень­ше, и, на­чи­ная с не­ко­то­ро­го кри­тич. раз­ме­ра, дву­мер­ный за­ро­дыш ста­но­вит­ся цен­тром рос­та но­вой сту­пе­ни. Час­то­та об­ра­зо­ва­ния дву­мер­ных за­ро­ды­шей очень ма­ла при ма­лых от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия, со­от­вет­ст­вен­но ма­ла и ско­рость рос­та, оп­ре­де­ляе­мая дву­мер­ным за­ро­ды­ше­об­ра­зо­ва­ни­ем. За­мет­ные ско­ро­сти рос­та при та­ком ме­ха­низ­ме обра­зо­ва­ния сту­пе­ней на­чи­на­ют­ся при ощу­ти­мом пе­ре­ох­ла­ж­де­нии и очень силь­но (экс­по­нен­ци­аль­но) воз­рас­та­ют при его уве­ли­че­нии. Др. ме­ха­низм ге­не­ра­ции сту­пе­ней свя­зан с вин­то­вы­ми дис­ло­ка­ция­ми. Ес­ли кри­сталл со­дер­жит вин­то­вую дис­ло­ка­цию, то его рост про­ис­хо­дит пу­тём при­сое­ди­не­ния ато­мов к тор­цу сту­пе­ни, окан­чи­ваю­щей­ся на дис­ло­ка­ции (рис. 2,а). При рос­те на вин­то­вой дис­ло­ка­ции сту­пень при­об­ре­та­ет спи­раль­ную фор­му (рис. 2,б), а за­мет­ная ско­рость рос­та увеличивается с пе­ре­ох­ла­ж­де­нием по квадратичному закону и на­блю­да­ет­ся уже при ма­лых от­кло­не­ни­ях от рав­но­ве­сия.

На атом­но-ше­ро­хо­ва­тых по­верх­но­стях (рис. 3) плот­ность из­ло­мов ве­ли­ка и при­сое­ди­не­ние но­вых час­тиц к кри­стал­лу про­исхо­дит прак­ти­че­ски в лю­бой точ­ке его по­верх­но­сти. Та­кой рост на­зы­ва­ет­ся нор­маль­ным. Его ско­рость ли­ней­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с пе­ре­ох­ла­ж­де­ни­ем. Тео­рия рос­та кри­стал­ла свя­зы­ва­ет плот­ность упа­ков­ки по­верх­но­сти кри­стал­ла с энер­ги­ей свя­зи ме­ж­ду час­ти­ца­ми по­верх­но­сти кри­стал­ла и те­п­ло­той К. Счи­та­ет­ся, что если энер­гия свя­зи дос­та­точ­но ве­ли­ка, все плот­но­упа­ко­ван­ные гра­ни – глад­кие. Это ха­рак­тер­но для кри­стал­лов, рас­ту­щих из па­ра. Те­п­ло­та К. рас­пла­вов, как пра­ви­ло, зна­чи­тель­но ни­же, чем теп­ло­та К. из па­ра, по­это­му и энер­гия свя­зи час­тиц в кри­стал­ле по срав­не­нию с рас­пла­вом мень­ше, чем по срав­не­нию с па­ром. В свя­зи с этим по­верх­ность кри­стал­ла, рас­ту­ще­го из рас­пла­ва, обыч­но ше­ро­хо­ва­тая, что оп­ре­де­ля­ет нор­маль­ный рост и фор­ми­ро­ва­ние ок­руг­лён­ных гра­ней. Пе­ре­ход от ше­ро­хо­ва­то­сти к ог­ра­не­нию воз­мо­жен при из­ме­не­нии кон­цен­тра­ции в двух­ком­по­нент­ных сис­те­мах при рос­те кри­стал­ла из рас­тво­ра. В кри­стал­лах гер­ма­ния и крем­ния, рас­ту­щих из рас­пла­ва, мож­но на­блю­дать со­су­ще­ст­во­ва­ние пло­ских и ок­руг­лён­ных гра­ней.

Формы роста кристаллов

Рис. 4. Ячеистая структура фронта кристаллизации.

оп­ре­де­ля­ют­ся ани­зо­тро­пи­ей их свойств и ус­ло­вия­ми те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са в про­цес­се К. Кри­стал­лы с ше­ро­хо­ва­ты­ми по­верх­но­стя­ми име­ют обыч­но ок­руг­лую фор­му. При вы­ра­щи­ва­нии та­ких кри­стал­лов из-за боль­шой ско­ро­сти по­верх­но­ст­ных про­цес­сов пе­ре­ох­ла­ж­де­ние на гра­ни­це с рас­пла­вом малó и рас­ту­щая по­верх­ность по­вто­ря­ет фор­му изо­тер­мы тем­пе­ра­тур­но­го по­ля в сис­те­ме при темп-ре рав­но­ве­сия. Атом­но-глад­кие по­верх­но­сти про­яв­ля­ют­ся в ви­де гра­ней. Рав­но­вес­ная фор­ма кри­стал­лич. мно­го­гран­ни­ка та­ко­ва, что рас­стоя­ние от цен­тра до ка­ж­дой гра­ни про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не её по­верх­но­ст­ной энер­гии. Рав­но­вес­ная фор­ма яв­ля­ет­ся и ста­цио­нар­ной фор­мой рос­та, но в ре­аль­ном про­цес­се рос­та она мо­жет быть силь­но ис­ка­же­на из-за не­ус­той­чи­во­сти по­верх­но­сти рос­та при ко­неч­ном (а не бес­ко­неч­но ма­лом) пе­ре­ох­ла­ж­де­нии, влия­нии при­ме­сей. 

Рис. 6. Скелетный кристалл шпинели.
Рис. 5. Дендритный кристалл иодоформа.

Ес­ли рас­плав силь­но пе­ре­ох­ла­ж­дён и темп-ра в рас­пла­ве убы­ва­ет по ме­ре уда­ле­ния от фрон­та рос­та, то рост не­ус­той­чив: слу­чай­но воз­ник­ший на по­верх­но­сти кри­стал­ла вы­ступ по­па­да­ет в об­ласть боль­ше­го пе­ре­ох­ла­ж­де­ния, и ско­рость его рос­та уве­ли­чи­ва­ет­ся. Та­кая не­ус­той­чи­вость для плос­ко­го фрон­та К. ве­дёт к об­ра­зо­ва­нию по­лос­ча­той или ячеи­стой струк­ту­ры кри­стал­ла (рис. 4). При рос­те ма­лень­ко­го кри­стал­ла эта не­ус­той­чи­вость про­яв­ля­ет­ся на­чи­ная с не­ко­то­ро­го раз­ме­ра кри­стал­ла. На нём раз­ви­вают­ся вы­сту­пы, и он при­об­ре­та­ет ске­лет­ную или ден­д­рит­ную фор­му, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся по­яв­ле­ни­ем вто­рич­ных вет­вей по­сле дос­ти­же­ния пер­вич­ным вы­сту­пом кри­тич. дли­ны (рис. 5). Рост боль­ших ог­ра­нён­ных кри­стал­лов из не­под­виж­но­го рас­тво­ра мо­жет быть так­же не­ус­той­чив. Пе­ре­сы­ще­ние в этом слу­чае вы­ше у вер­шин и рё­бер кри­стал­ла и мень­ше в центр. час­тях гра­ни. По­это­му вер­ши­ны ста­но­вят­ся ве­ду­щи­ми ис­точ­ни­ка­ми рос­та сло­ёв. При боль­шой раз­но­сти пе­ре­сы­ще­ний на вер­ши­нах и в цен­трах гра­ней вер­ши­ны об­го­ня­ют цен­тры гра­ней и воз­ни­ка­ет ске­лет­ная фор­ма кри­стал­ла (рис. 6). При за­дан­ной темп-ре в двух­ком­по­нент­ной сис­те­ме рав­но­ве­сие мо­жет су­ще­ст­во­вать при раз­ных со­ста­вах кри­стал­ла и рас­пла­ва. При рос­те кри­стал­ла один из ком­по­нен­тов ска­п­ли­ва­ет­ся пе­ред фрон­том, вы­зы­вая кон­цен­тра­ци­он­ное пе­ре­ох­ла­ж­де­ние, и это час­то при­во­дит к не­ус­той­чи­во­сти фрон­та рос­та.

Рис. 7. Секториальное и зонарное строение кристалла алюмокалиевых квасцов.

Раз­ные гра­ни кри­стал­ла при рос­те за­хва­ты­ва­ют раз­ные ко­ли­че­ст­ва при­ме­сей, со­дер­жа­щих­ся в сре­де. Так воз­ни­ка­ет его сек­то­ри­аль­ное строе­ние. Ес­ли кри­сталл пло­хо за­хва­ты­ва­ет при­месь, про­ис­хо­дит её на­ко­п­ле­ние пе­ред фрон­том рос­та. Пе­рио­дич. за­хват это­го по­гра­нич­но­го слоя рас­ту­щим кри­стал­лом при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию зо­нар­ной струк­ту­ры (рис. 7). За­хват при­ме­сей при­во­дит к из­ме­не­нию па­ра­мет­ров кри­стал­лич. ре­шёт­ки, и на гра­ни­цах об­лас­тей раз­но­го со­ста­ва воз­ни­ка­ют внутр. на­пря­же­ния, что при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию дис­ло­ка­ций и тре­щин. Дис­ло­ка­ции воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те ре­лак­са­ции уп­ру­гих на­пря­же­ний в не­рав­но­мер­но на­гре­том кри­стал­ле или мо­гут пе­ре­хо­дить из за­трав­ки в вы­ра­щи­вае­мый кри­сталл.

Массовая кристаллизация –

од­но­времен­ный рост мно­же­ст­ва кри­стал­лов, ши­ро­ко ис­поль­зуе­мый в пром-сти. Свой­ст­ва слит­ков и от­ли­вок при К. ме­тал­лур­гич. рас­пла­вов в силь­ной сте­пе­ни за­ви­сят от ко­ли­че­ст­ва цен­тров К. и ус­ло­вий их рос­та. При за­твер­де­ва­нии от­ли­вок ме­тал­лов цен­тры К. по­яв­ля­ют­ся вна­ча­ле на ох­ла­ж­дае­мых стен­ках из­лож­ни­цы, ку­да за­ли­ва­ют рас­плав­лен­ный ме­талл. Из хао­ти­че­ски ори­ен­ти­ро­ван­ных кри­стал­лов вы­жи­ва­ют те, ко­то­рые рас­тут пер­пен­ди­ку­ляр­но стен­ке. Они фор­ми­ру­ют столб­ча­тую зо­ну вбли­зи стен­ки. Кон­век­ци­он­ные по­то­ки в рас­пла­ве мо­гут об­ла­мы­вать вет­ви ден­д­ри­тов, по­став­ляя в рас­плав вто­рич­ные цен­тры К. Мас­совая К. в рас­тво­рах на­чи­на­ет­ся на ге­те­ро­ген­ных цен­трах К. или на спе­ци­аль­но вве­дён­ных за­тра­воч­ных кри­стал­лах. Столк­но­ве­ния этих кри­стал­ли­ков ме­ж­ду со­бой и со стен­ка­ми со­су­да в пе­ре­ме­ши­вае­мом рас­тво­ре да­ют на­ча­ло вто­рич­ным цен­трам К. Для соз­да­ния до­пол­нит. цен­тров К. ис­поль­зу­ют УЗ-дроб­ле­ние рас­ту­щих кри­стал­лов или до­бав­ки по­верх­но­ст­но-ак­тив­ных ве­ществ. Мас­со­вая К. ис­поль­зу­ет­ся так­же для очи­ст­ки ве­ществ от при­ме­сей. 

Применение кристаллизации

В при­ро­де К. при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию ми­не­ра­лов, льда, иг­ра­ет важ­ную роль во мно­гих био­ло­гич. про­цес­сах. К. про­ис­хо­дит так­же при не­ко­то­рых хи­мич. ре­ак­ци­ях, в про­цес­се элек­тро­ли­за. Она ле­жит в ос­но­ве мн. тех­но­ло­гич. про­цес­сов: в ме­тал­лур­гии, при по­лу­че­нии ма­те­риа­лов для элек­тро­ни­ки, оп­ти­ки. Пу­тём К. по­лу­ча­ют мас­сив­ные мо­но­кри­стал­лы и тон­кие плён­ки. К. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в хи­мич., пи­ще­вой, мед. пром-сти: в тех­но­ло­гии очи­ст­ки ве­ществ, при про­из-ве со­ли, са­ха­ра, ле­карств. 

Лит.: Шуб­ни­ков А. В. Об­ра­зо­ва­ние кри­стал­лов. М.; Л., 1947; Лемм­лейн Г. Г. Мор­фо­ло­гия и ге­не­зис кри­стал­лов. М., 1973; Ло­диз Р. А., Пар­кер Р. Л. Рост мо­но­кри­стал­лов. М., 1974; Про­бле­мы со­вре­мен­ной кри­стал­ло­гра­фии. М., 1975; Со­вре­мен­ная кри­стал­ло­гра­фия. М., 1980. Т. 3; Чер­нов А. А. Фи­зи­ка кри­стал­ли­за­ции. М., 1983; Ге­гу­зин Я. Е., Ка­га­нов­ский Ю. С. Диф­фу­зи­он­ные про­цес­сы на по­верх­но­сти кри­стал­ла. М., 1984; Скри­пов В. П., Ко­вер­да ВП. Спон­тан­ная кри­стал­ли­за­ция пе­ре­ох­ла­ж­ден­ных жид­ко­стей. М., 1984; Про­бле­мы кри­стал­ло­гра­фии. М., 1987; Чуп­ру­нов Е. В., Хох­лов А. Ф., Фад­де­ев М. А. Кри­стал­ло­гра­фия. М., 2000.

Вернуться к началу