+7 900 635-97-97

 

Как превратить графит в алмаз, почему сиденья делают из пластика и дерева, а не из металлов и что общего у драгоценных камней и алюминия? Об этом в нашей рассылке рассказывает аспирант ФТИ имени Иоффе Федор Свинарев.


 

Почему алмаз прочнее стали?

Что такое кристаллы на самом деле?

Выдающийся американский физик и преподаватель Ричард Фейнман говорил: если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и мы могли бы передать потомкам только одну фразу, то выбрать следовало бы утверждение «Все тела состоят из атомов». Действительно, атомная структура во многом определяет свойства твердых тел. При этом важно не только то, из каких атомов состоит тело, но и то, как атомы расположены друг относительно друга в пространстве.

В первую очередь, твердые тела делятся на аморфные и кристаллические. В последних атомы упорядочены в кристаллическую решетку. Распространено заблуждение, что кристаллы — это обязательно драгоценные и полудрагоценные камни. Однако кристаллической решеткой обладают очень многие объекты. Медный провод, грифель карандаша, консервная банка — всё это кристаллические тела.

 

Можно ли расколоть алмаз?

Отличительной особенностью кристаллов является анизотропия — это когда свойства внутри среды различаются в зависимости от направления. Например, алмаз, хоть и является самым твердым материалом, может быть легко расколот на две части, если ударить по нему в правильном направлении. Прочность других кристаллов также зависит от того, куда направлена сила. Проще всего проверить это на пластинах слюды, используемых в микроволновках. Слюда расслаивается на более тонкие пластинки даже ногтем, но чтобы разрезать пластину поперек, требуются ножницы и значительные усилия. То есть разрезать слюду вдоль гораздо проще, чем поперек. А вот аморфное тело — например, стекло — резать что вдоль, что поперек одинаково сложно.

Еще одна особенность кристаллов — это более высокая по сравнению с аморфными телами теплопроводность. Тепло характеризует колебания атомов: чем интенсивнее атомы тела колеблются, тем выше температура. При наличии кристаллической решетки колебания быстрее распространяются от одного места к другому. Так, в жару кристаллические тела кажутся более горячими, чем аморфные, а при низкой температуре — более холодными. Поэтому сиденья предпочтительнее делать из аморфных материалов (пластик, дерево), а не из кристаллических (различные металлы).

 

Как из графита получить алмаз?

Вещества, состоящие из одних и тех же атомов, но по-разному упорядоченных, могут иметь совершенно разные свойства. Хрестоматийным примером является углерод. Привычный нам уголь аморфный, то есть у него нет кристаллической решетки. Графит, используемый в карандашах, тоже состоит из атомов углерода, но упорядоченных в кристаллическую решетку. Наконец, если нагреть графит до температуры 2000 °С и создать в нем давление порядка 100 000 атмосфер, его кристаллическая решетка принципиально изменится — и графит превратится в алмаз. Предполагается, что именно так образуются природные алмазы.

Основная трудность при этом — создать давление 100 000 атмосфер (для сравнения, давление на дне Марианской впадины в 90 раз меньше). Но давление такого порядка может возникать в земных недрах. Более того, в середине XX века появились технологии, позволяющие синтезировать алмаз из графита в лаборатории. С тех пор человечество создает искусственные алмазы, не уступающие природным (не следует путать искусственный алмаз и фианит — камень, внешне похожий на алмаз, но имеющий другой химический состав, куда менее твердый и более тяжелый).

В то время как алмаз — самый твердый из кристаллов, графит — один из самых мягких. Алмаз почти не проводит ток, а графит настолько хороший проводник, что иногда разрыв электрической цепи можно устранить с помощью карандаша. У алмаза высочайшая теплопроводность, а у графита в десять раз меньше. В конце концов, выглядят эти материалы совершенно по-разному. Чем же так сильно отличаются их кристаллические решетки? Важным параметром является координационное число, показывающее, сколько ближайших «соседей» у каждого отдельно взятого атома.

В решетке алмаза координационное число равно 4, а в решетке графита — 3. Это значит, что каждый атом графита связан с тремя другими, причем все они лежат в одной плоскости. В результате кристаллическая решетка графита состоит из плоскостей, в пределах каждой из которых атомы связаны крепко. Но сами плоскости между собой соединены слабо, что и обуславливает механические свойства графита.

 

Как сделать кристалл прочнее?

Сталь — это тоже кристаллическое тело, причем далеко не такое твердое, как алмаз. Но расколоть сталь гораздо сложнее, чем алмаз. В чем секрет прочности стали и других металлов? Парадоксально, но кристалл может стать прочнее, если сделать его «хуже».

Во-первых, в кристалл можно добавить примеси, то есть заменить часть атомов на другие. Во-вторых, драгоценные камни представляют собой монокристаллы — и отчасти поэтому они хрупкие. Монокристалл можно раздробить в мелкокристаллическую пыль и спрессовать ее. В результате получится поликристалл — тело, состоящее из маленьких кристаллов. Поликристаллы практически столь же твердые, что и монокристаллы, но прочнее — как правило, их не получится разбить один ударом. Привычные нам железо, сталь, алюминий — поликристаллы. Поэтому многие и не воспринимают их как кристаллические тела. Но под микроскопом видно, что они состоят из маленьких кристаллов.

 

Как увидеть атомы кристаллов?

Но даже сколь угодно хороший оптический микроскоп не сможет «разглядеть» ряды атомов в кристаллической решетке, ведь размер атома — менее нанометра, а длина волны видимого света — сотни нанометров; предметы меньшего размера видимый свет «не чувствует». К счастью, длина волны ультрафиолетового света меньше, чем у видимого, а у рентгеновских лучей она еще меньше. Поэтому для изучения кристаллической решетки вещество облучают не видимым светом, а рентгеном. Анализ рассеяния рентгеновских лучей позволяет с большой точностью построить схему кристаллической решетки.

Таким образом, атомное строение твердых тел проявляется в их свойствах. Создание материалов с заданными характеристиками было и остается популярной задачей физики и смежных наук, зачастую требующей глубокого понимания процессов, происходящих на микроскопическом уровне.

 

Рекомендуем почитать: