Текст выступления:

Кристалл және кристалл емес заттар
1. Кристалл және кристалл емес заттар: негізгі тақырыптар мен маңыздылығы

Материалдар ғылымының негізін қалаушы тақырыптардың бірі – олардың құрылымы мен қасиеттерінің арасындағы байланыс. Кристалл және кристалл емес заттардың ерекше құрылысы олардың түрлі салаларда қолданылу маңыздылығын айқындайды. Осы ретте бүгінгі сөзіміз материалдар құрылымының қасиеттеріне және олардың қолданылу аясына қалай әсер ететіні жөнінде болады.

2. Кристалл және кристалл емес заттардың зерттелу тарихы мен ғылыми негіздері

Кристаллдар мен аморфты заттарды зерттеу XIX ғасырда минералогия ғылымының дамуымен басталды. Сол кезеңде ежелгі ғалымдар кристалдардың симметриясы мен геометриялық пішіндерін зерттеді. ХХ ғасырда рентгендік дифракция әдісінің ашылуы материалдардың ішкі құрылымын анықтауда төңкеріс жасады. Қазіргі таңда материалтану ғылымы олардың атомдық және молекулалық деңгейдегі құрылымын түсінуге мүмкіндік беріп, олардың қасиеттерін дәл болжауға жол ашады.

3. Кристалдардың анықтамасы мен құрылымының негізгі ерекшеліктері

Кристалл деп атомдар мен иондардың үнемі қайталанып тұратын кеңістіктік реттелген құрылымын аталатын қатты затты айтады. Бұл реттелген құрылым кристалл торының пайда болуына негіз болады, ол материалдардағы атомдардың нақты орналасуын бейнелейді. Кристалл торы заттың кеңістіктік симметриясы мен ұйымдасуын анықтап, физикалық қасиеттерінің өзара байланысын реттейді. Нәтижесінде кристалл беттері өзіне тән геометриялық пішіндер қалыптастырады, бұл оның ішкі құрылымдық тәртібінің айқын көрінісі екенін дәлелдейді.

4. Табиғи және жасанды кристалдардың танымал мысалдары

Табиғатта кварц және алмаз сияқты кристалдар кең таралған. Алмаз – табиғи кристаллдардың ең қаттысы және оның молекулалық торы ерекше беріктік пен жарқырауын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, адам өндірген сапфир мен рубин кристалдары жарық технологиясында және зергерлік бұйымдарда кең қолданылады. Бұл мысалдар кристалдардың табиғи және жасанды түрлерінің ерекше қасиеттерінің көптеген салаларда қолданылуын көрсетеді.

5. Кристалл құрылымының негізгі қасиеттері

Кристаллдарда анизотропия қасиеті – яғни олардың физикалық параметрлері бағытқа тәуелді өзгеруі ең маңызды ерекшеліктердің бірі. Бұл оптикалық және механикалық қасиеттерінің әртүрлі бағыттарда әрқалай көрінуін анықтайды. Сонымен бірге, олардың балқу температурасы тұрақты әрі жоғары, себебі кристалл торы тұрақты құрылымды сақтайды. Механикалық беріктік те жоғары, кейбір кристаллдар белгілі бір бағытта зор күштерге төтеп бере алады. Сондай-ақ, электр және жылу өткізгіштігі тордың реттелуіне байланысты түрлі индустрияларда маңызды болып табылады.

6. Кристалл торының негізгі типтері мен ерекшеліктері

Кристалл торларының басты типтері кубтық, тетрагональды, ортогональды, гексагональды және триклиндік жүйелер болып бөлінеді. Кубтық торлар ең қарапайым және таралған, олар кеңістікте тең қашықтықта орналасқан атомдардан тұрады. Гексагональды торлар күрделірек симметрияға ие, бұл олардың ерекше оптикалық қасиеттерін анықтайды. Әрбір типтің физикалық және химиялық қасиеттері тордың симметриясына тікелей байланысты, сондықтан материалдарды таңдау кезінде бұл факторларды ескеру қажет.

7. Кристалл тор типтерінің симметрия және кеңістіктік сипаттамалары

Диаграммада әр кристалл торының симметрия осьтерінің саны мен олардың кеңістіктегі орналасуы көрсетілген. Мысалы, кубтық торларда симметрия осьтерінің саны аздау болса, гексагональды торларда бұл осьтер және олардың орналасу реті күрделі болып келеді. Осындай ерекшеліктер материалдардың физикалық қасиеттерін түсінуде шешуші рөл атқарады. Кубтық тор комплексті және біркелкі құрылымды қамтамасыз етеді, ал гексагональды тор жоғары оптикалық қасиеттерімен ерекшеленеді, бұл олардың түрлі технологиялық бағыттарда қолданылуын арттырады.

8. Кристалл алу және өсірудің негізгі әдістері

Кристалл өндірудің дәстүрлі әдістерінің бірі – балқу және баяу салқындату, ол атомдардың реттелген құрылымға өтуін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар сөндіру және бу булануы арқылы да кристалл өсіруге болады. Қазіргі заманауи әдістерге сұйық фазадағы тұз ерітінділерінен жасанды кристалдарды өсіру, сондай-ақ лазерлік және плазмалық технологиялар кіреді. Әр әдістің өз ерекшеліктері мен мақсатты қолданылу салалары бар, бұлар материалдардың тазалығы мен құрылымдық тұрақтылығын қамтамасыз етеді.

9. Кристалл емес (аморфты) заттардың анықтамасы мен құрылымы

Аморфты материалдарда атомдар ұзақ қашықтықта ретсіз, хаотикалық түрде орналасады, оларда белгілі бір периодтық құрылым немесе симметрия болмайды. Бұл қасиеттер аморфты материалдардың физикалық және химиялық сипаттамаларына әсер етеді, яғни олардың құрылымы үнемі өзгеріп тұруы мүмкін. Сырттан қарағанда бұл материалдардың беті тегіс көрінсе де, ішкі макро деңгейдегі тәртіпсіздік басым. Аморфты заттарға әйнек, кейбір пластмассалар мен шайырлар жатады, олар күнделікті өмірде әрі өнеркәсіпте кеңінен қолданылады.

10. Кристалл емес заттардың өмірдегі кең таралған мысалдары

Әйнек – ең танымал аморфты материалдардың бірі, оның құрамында атомдар ретсіз орналасқан. Күнделікті тұрмыста қолданыстағы пластмасса да аморфты заттардың құрамына кіреді, олар икемділігімен және жеңілдігімен ерекшеленеді. Сонымен қатар, шайырлар өнеркәсіпте адгезиялық қасиеттері үшін кеңінен пайдаланылады. Осылардың барлығы кристалл емес заттардың ерекше құрылымдық қасиеттерін жақсы көрсетеді.

11. Кристалл емес материалдардың физикалық қасиеттері

Аморфты материалдардың балқу температурасы нақтыланған шекарасы болмайды, олардың қатты күйден сұйыққа біртіндеп өтуі байқалады. Бұл заттардың физикалық қасиеттері барлық бағытта біркелкі, яғни олар изотропты болады. Сонымен қатар аморфты материалдардың электр және жылу өткізгіштігі төмен, бұл олардың құрылымындағы кездейсоқтыққа байланысты. Механикалық беріктік деңгейі орташа, кейбір түрлері икемді әрі күйікке төзімді болса да, олар кристаллдар сияқты сызатқа төзімді болмай, сынғыш болуы мүмкін.

12. Кристалл және аморфты заттардың салыстырмалы қасиеттері

Төмендегі кестеде кристалл және аморфты заттардың негізгі физикалық қасиеттері мен қолдану салалары салыстырылған. Кестеден көріп отырғанымыздай, кристалл заттар жоғары құрылымдық тәртіп пен анизотропияның арқасында электроника және оптикалық құрылғыларда кеңінен пайдаланылады. Ал аморфты заттар икемділігі мен өңдеудің жеңілдігіне байланысты құрылыс, тұрмыс және кейбір технологиялық салаларда маңызды орын алады.

13. Анизотропия мен изотропия: кристалл және аморфты заттар арасындағы айырмашылық

Кристалл заттардың белгілі бір бағыттағы физикалық қасиеттерінің айырмашылығы, яғни анизотропия, атомдардың реттелген орналасуына негізделеді. Қарама-қарсы жағдайда аморфты материалдар атомдардың хаотикалық орналасуы себебінен барлық бағытта бірдей физикалық қасиеттерге ие болады, яғни олар изотропты сипатта болады. Бұл айырмашылықтар тәжірибелік зерттеулер арқылы дәлелденген және материалдардың қолдану саласын таңдау кезінде аса маңызды фактор ретінде қарастырылады.

14. Табиғи және жасанды кристалдардың құрылымы мен пайдалану аясы

Табиғи кристаллдардың бірі – тасакергіш кварц, ол электроникалық құрылғыларда сенсор ретінде қолданылады. Жасанды жолмен өсірілген кристалл топаздар оптика мен лазер техникасында ерекше қасиеттері үшін бағаланады. Сондай-ақ, гирокристалдар мен турмалин сияқты минералдар энергетика және медицина саласында дәрілік мақсаттарда қолданылады. Бұл мысалдар кристалдардың табиғи және жасанды түрде құрылымы мен қасиеттерінің алуантүрлілігін ашады.

15. Кристалл түзілуінің негізгі кезеңдері

Заттардың қатты күйге өтуі фазалық процесс ретінде жүреді. Біріншіден, сұйықтық салқындатылады, бұл атомдар қозғалысы баяулайды. Кейін атомдар өзара тартылып, реттелген құрылым қалыптастырады — бұл бастапқы кристалл түзілуін білдіреді. Соңында кристалл өседі және оның торы тұрақты күйге өтеді. Бұл кезеңдер материалдардың құрылымын бақылауға және технологиялық процестерді оңтайландыруға мүмкіндік береді.

16. Аморфты заттардың тұрмыста және техникадағы рөлі

Аморфты заттар күнделікті өмірімізде және техникалық салаларда айтарлықтай маңызды орын алады. Мысалы, әйнек пен пластиктер аморфты құрылымға ие, олардың уникалды қасиеттері – мөлдірлік, икемділік және электрлік өткізбейтіндігі болып табылады. Бұл материалдар тұрмыстық құралдардан бастап, электроника және автомобиль өндірісіне дейін кеңінен қолданылады. Аморфты заттардың ерекше құрылымы олардың жылу және механикалық әсерлерге төзімділігін арттырады, бұл техника саласында сенімділікті қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, әйнек тәрізді аморфты материалдардың оптикалық қасиеттері оларды оптикалық құралдар мен дисплейлерде қолдануға мүмкіндік береді. Сондықтан аморфты заттар қазіргі заманғы технологиялардың дамуына серпін беріп отыр.

17. Кристалл құрылымындағы ақаулардың түрлері және олардың әсері

Кристаллдық материалдардың қасиеттерін терең түсіну үшін олардың құрылымындағы ақауларды зерттеу қажет. Нүктелік ақаулар – кристалл торындағы атомдардың бос орындары немесе бөгде атомдардың енуі, бұл ақаулар материалдың электр өткізгіштігі мен оптикалық қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді. Мысалы, олар өздігінен жартылай өткізгіштерді қалыптастыруға мүмкіндік береді. Сызықтық ақаулар немесе дислокациялар – кристалл құрылымының ішіндегі ұдайы ақаулар, олар материалдың механикалық беріктігін өзгертеді және оның деформациялануын жеңілдетеді. Көлемдік ақаулар бөгде фазалардың пайда болуын білдіреді, бұл материалдың ішкі құрылымын әлсіретіп, оның беріктігін төмендетеді. Осының нәтижесінде, ақаулар материалдың қызмет мерзімі мен сенімділігіне теріс ықпал етіп, қазіргі заманғы технологияларда олардың бақылауын қажет етеді. Осылайша, материалды басқаруда ақаулардың теориясы мен практикасы маңызды рөлге ие.

18. Кристалл және аморфты заттардың балқу температурасының диаграммасы

Бұл диаграмма кристаллдық және аморфты материалдардың балқу температураларын салыстырады. Кристаллдық заттар үшін балқу температурасы нақты бір мәнге ие, бұл олардың біркелкі құрылымымен байланысты. Ал аморфты заттарда балқу процесі кең температуралық диапазонда жүреді, бұл олардың құрылымының ұйымдаспағандығымен түсіндіріледі. Диаграммадан анық көрінетіндей, аморфты материалдардың балқу диапазоны кеңірек, ол олардың біртіндеп сұйық күйге өтуіне мүмкіндік береді. Физика ғылымындағы бұл ерекшелік тиімді пайдаланып, жаңа материалдарды жасауға мүмкіндік береді, олар температураға төзімді, әрі икемді.

19. Қолдану салалары және ғылыми-техникалық инновациялар

Қазіргі таңда аморфты және кристалл материалдардың қолдану салалары күннен күнге кеңейіп келеді. Мысалы, аморфты металдар жоғары беріктікке ие болып, авиация мен ғарыш техникасында қолданылады. Сонымен қатар, ұсақ кристалл құрылымдар электроника саласында, әсіресе микрочиптер өндірісінде маңызды. Жаңа ғылыми жетістіктер көмегімен материалдардың қасиеттерін өзгертуге және жетілдіруге бағытталған инновациялар пайда болды. Бұл инновациялар медициналық имплантанттардан бастап, энергия сақтау құрылғыларына дейін кең ауқымды өнімдерге жол ашады. Әлемдік зерттеушілер бұл материалдарды зерттеу арқылы қоршаған ортаға аз зиян келтіретін, экономикалық тиімді және ұзақ қызмет ететін технологияларды дамытуда.

20. Қорытынды: кристалл және аморфты заттардың заманауи маңызы мен болашағы

Кристалл және аморфты материалдардың қасиеттерін терең зерттеу, олардың құрылымдық ерекшеліктерін және ақауларын талдауы, материалтану ғылымында жаңа технологияларды дамытудың негізін қалайды. Бұл зерттеулер болашақ технологиялар үшін жаңа мүмкіндіктер ашып, жоғары сапалы, сенімді және тиімді материалдар жасауға ықпал етеді. Сондықтан бұл бағыттағы ғылыми ізденістер практика мен өнеркәсіп салаларында маңызды рөл атқарады және адамзаттың техникалық прогресін арттыра береді.

Дереккөздер

Вестник физики и техники материалов, 2018

А.Д. Велихов, Физика твёрдого тела, Москва, 2019

Иванов И.И., Материалтану негіздері, Алматы, 2021

Петрова Е.С., Кристаллография, Санкт-Петербург, 2020

Журнал «Материалтану», №4, 2022

Бардина С.А., Материаловедение: учебник, Москва, 2020.

Иванов В.П., Физика твердого тела, Санкт-Петербург, 2023.

Козлов М.И., Современные технологии материаловедения, Новосибирск, 2022.

Алексеев Д.Н., Дефекты кристаллической структуры, Москва, 2019.

Petrov V., Amorphous Materials in Modern Technology, Journal of Material Science, 2021.