Кристаллы, их строение, и роль в жизни человека

Случалось ли вам слышать слово «кристалл»? Разумеется. Но спросите себя, какие кристаллы вам знакомы? Первыми на ум приходят скорее всего яркие самоцветы: изумруд, кто-то вспомнит лиловый аметист, кто-то вишнёво-красный гранат, а кто-то горный хрусталь – бесцветный кварц. Не будь этих блестящих разноцветных камушков, жизнь потускнела бы, лишившись их красок, их маленьких тайн.

В кристаллах есть что-то удивительное и завораживающее. Они поражают своей четкостью линий и симметрией, в которой скрывается необыкновенная красота. Я сразу заинтересовалась темой «кристаллы». Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Удивительные многогранники издавна привлекали внимание людей. Средневековые алхимики думали, что природные кристаллы были сотворены богом раз и навсегда. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями.

Кристаллы так хороши собой, что ими можно любоваться часами. Каких только кристаллических форм не создала природа! Столбики, кубики, пирамиды, звёзды! Поражает разнообразие причудливых форм и цветов кристаллов.

Красота кристаллов всегда восхищала человека. Раньше считалось, что горный хрусталь (вид кварца) – это окаменевший лед, который никогда не растает. На самом деле кристаллы (от греческого слова «Криос» - «ледяной холод») – это твердые тела со строгим внутренним расположением атомов, которому соответствуют симметрия их внешних гладких поверхностей – граней.

Наука, занимающаяся изучением кристаллов и их свойств, называется кристаллографией.

Кристаллография зародилась в древности и развивалась в тесной связи с минералогией как наука, устанавливающая законы огранения кристаллов.

Наблюдение и измерение огранения кристаллов, установление законов огранения — предмет геометрической кристаллографии. На основе геометрической кристаллографии возникла гипотеза об упорядоченном, трёхмерно-периодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, в современном понимании — атомов и молекул, которые образуют кристаллическую решетку. Структурная кристаллография исследует атомно-молекулярное строение кристаллов методами рентгеноструктурного анализа, электронографии, нейтронографии, электронной микроскопии.

Симметрийные и структурные закономерности, изучаемые кристаллографией, находят применение в рассмотрении общих закономерностей строения и свойств конденсированного состояния вещества: аморфных тел и жидкостей, полимеров, биологических макромолекул, надмолекулярных структур и т. п. Этим занимается обобщенная кристаллография. Изучать кристаллы – это значит изучать почти все окружающие нас тела. Изучением строения и свойств кристаллов занимаются такие науки, как физика, химия.

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Кристаллы характеризуются значительными силами межмолекулярного взаимодействия.

Они имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц, составляющих кристалл. Регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется пространственной (кристаллической) решеткой. Форму, которую принимает монокристалл тогда, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной. Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми рёбрами и обладает симметрией.

Не все кристаллы одинаковы. Существуют монокристаллы и поликристаллы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Особенностью монокристаллов является зависимость физических свойств (упругих, механических, тепловых, электромагнитных, оптических и т. д. ) от направления наблюдения, т. е. анизотропность. Поликристалл состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких монокристаллов и поэтому анизотропностью не обладает.

Анизотропность сохраняется на уровне мелких монокристаллов

Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрии внешней формы, а также анизотропией физических свойств. При изменении внешних условий структура кристаллов может измениться. Большинство природных твёрдых материалов являются поликристаллами.

1. 2 Жидкие и твердые кристаллы

В природе часто можно встретить переливчатые крылья жука или стрекозы, наблюдать за быстро меняющимися цифрами электронных часов. Трудно догадаться, что может объединять эти вроде бы совсем не связанные вещи. Оказывается, общими их участниками являются жидкие кристаллы.

Есть такие вещества, и природные, и искусственные, которые в определенном диапазоне температур текучи, как жидкости, но сохраняют внутренний порядок составляющих их частиц-молекул, присущий твердым телам. При понижении температуры они превращаются в твердые кристаллы, а нагрей их — станут обычными жидкостями.

Эти вещества объединяют в себе свойства кристаллов и жидкостей. Образуются они из органических цепочек, похожих на полимеры. Удлиненная форма этих мельчайших частиц определяет необычные качества жидких кристаллов. Известно несколько тысяч органических соединений, образующих жидкие кристаллы, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму.

Однако при температурах ниже критической (которая у каждого вещества своя) в жидкости возникает выделенное направление, вдоль которого начинают ориентироваться оси молекул. В результате образуется жидкий кристалл с характерной анизотропией свойств.

Частицы жидких кристаллов способны сразу, по внешнему сигналу, менять свою ориентацию. При наблюдении за сменой цифр на табло микрокалькулятора или часов, там происходит похожий процесс – на определённые участки подаётся электрический сигнал и они изменяют свою прозрачность.

Всё чаще мы стали встречаться с термином “жидкие кристаллы”. Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с таким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ? Жидкие кристаллы обладающие анизотропией свойств, связанной с упорядоченностью в ориентации молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике.

Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются наличием дальнего порядка — пространственной периодичностью в расположении атомов. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, в этом случае говорят о наличии ближнего порядка.

Устойчивым является кристаллическое состояние, аморфное состояние – нестабильное, с течением времени аморфные тела должны закристаллизоваться.

Аморфное состояние - это твердое некристаллическое состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств и отсутствием определенной температуры плавления. При повышении температуры аморфное вещество (стекло, многие пластмассы) размягчается и переходит в жидкое состояние постепенно. При продолжительном воздействии с малой силой аморфные тела, подобно жидкостям, обнаруживают текучесть.

По типам связи между частицами твёрдые тела делят на пять классов:

1) ионные кристаллы в которых основными силами притяжения, действующими между ионами, являются электростатические силы;

2) кристаллы с ковалентной связью, в которых валентные электроны соседних кристаллов обобществлены; кристалл представляет собой как бы огромную молекулу;

3) металлы, у которых энергия связи обусловлена коллективным взаимодействием подвижных электронов с ионным островом - металлическая связь;

4) молекулярные кристаллы, в которых молекулы связаны слабыми электростатическими силами (ван-дерваальсовы силы), обусловленными динамической поляризацией молекул;

5) кристаллы с водородными связями, в которых каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Именно водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда.

1. 3 Снежинки

Каждую зиму на землю падают миллиарды снежных кристаллов. Их холодное совершенство и абсолютная симметрия поражают. Странно, что люди разглядели эти «драгоценности изо льда» совсем недавно.

Сколько писателей и философов были очарованы этой недолговечной красотой! Вот какими увидел снежинки герой Томаса Манна: «С виду это была бесформенные клочочки, но он уже не раз смотрел на них через свое увеличительное стекло и отлично знал, из каких изящных, отчетливо сделанных крохотных драгоценностей они составляются – из подвесок, орденских звезд, брильянтовых аграфов; роскошнее и тщательнее их не мог бы сработать самый умелый ювелир».

Снежинки (снег), твердые атмосферные осадки, состоящие из ледяных кристаллов различной формы.

Рассматривать снежинки очень интересно хотя бы потому, что еще ни разу на землю не упало двух одинаковых.

Снежинки не раз становились предметом серьезных научных исследований. Самый первый трактат о снежинках написал в 1611 году Иоанн Кеплер. В нем он размышляет о том, почему кристаллы снега имеют шестигранную форму.

С тех пор многие ученые пытались ответить на этот вопрос. Им на помощь приходила даже рентгеновская техника, но точного объяснения нет и сегодня.

Отчаявшись, ученые решились предположить, что Кеплер был прав, считая, будто снежинки, как растения, обладают подобием души, которая и моделирует их форму.

В 1635 году философ и математик Рене Декарт впервые занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он первый нашел и описал достаточно редкую 12-конечную снежинку.

В 1665 г. Роберт Хук рассматривал снежинки уже под микроскопом.

А первый снимок снежного кристалла под микроскопом сделал 15 января 1885 года молодой Уилсон Бентли, сын фермера из штата Вермонт. И был так поражен результатом, что всю оставшуюся жизнь Снежинка -так прозвали Бентли –посвятил снегу. За 47 лет (умер он в 1931 году) Бентли успел сфотографировать около 5600 снежных кристаллов.

Сравнивая снимки, фотограф-самоучка обнаружил, что среди них нет двух одинаковых. И, между прочим, до него этого никто не замечал! Влюбленный в снег фотограф, снимавший снежинки самодельной громоздкой камерой, признавался: «Каждый раз я не могу до конца поверить в то, что вся эта красота через мгновение растает и исчезнет без следа».

Первые систематические исследования снежных кристаллов предпринял в 1930-х годах японец Укихиро Накайя. Началось всё с отсутствия денег. В лаборатории профессора Хоккайдского университета катастрофически не хватало необходимых приборов. А вот снега вокруг было сколько угодно. Как и многие японцы, физик Накайя всегда восхищался его красотой – в японской культуре есть даже особое понятие «юкими», что значит «любование снегом».

В Японии существует Музей снега и льда имени Укихиро Накайя, в котором хранятся первые снимки и машина для получения снежинок.

Учёный решил приглядеться к снежинкам внимательнее. Соорудив морозильную камеру, Накайя стал наблюдать под микроскопом, какие формы принимают снежные кристаллы в различных условиях. Несмотря на головокружительное разнообразие снежинок, Накайя сумел усмотреть в них что-то общее. В результате он выделил 41 тип снежинок и составил первую классификацию. Кроме того, трудолюбивый японец вырастил первую «искусственную» снежинку и выяснил, что величина и форма образующихся кристаллов льда зависят от температуры воздуха и влажности.

Хотя двух одинаковых снежинок не найти, можно условно разделить их на несколько видов:

ЗВЕЗДОЧКИ

Имеют обычно шесть симметричных лучей, идущих от центра и разветвляющихся, как ветки дерева, на концах. Диаметр – 5 мм и больше, толщина 0,1 мм.

ПЛАСТИНЧАТЫЕ

Плоские, как будто расплющенные, звезды с разным количеством граней и ошеломляющим разнообразием форм кончиков.

ПОЛЫЕ КОЛОНКИ – главные элементы большинства снегопадов – подобны деревянному карандашу, с коническими полыми концами. Бывает, из-за резкого перепада температуры колонка вдруг продолжается пластинчатым фрагментом.

ИГОЛЬЧАТЫЕ

Снежинки с длинными, тонкими концами.

НЕСТАНДАРТНЫЕ

Вообще у снежинок трудная жизнь. Оказавшись в турбулентном облаке, многие ломаются, не успевают приобрести правильную форму. “Теплые” снегопады с сильным ветром приносят больше всего нестандартных, бракованных снежинок.

А иногда они обрастают снегом и превращаются в шарики.

Лабораторные опыты по выращиванию снежинок показали, что форма снежинок напрямую зависит от температуры и влажности воздуха.

Каждый снежный кристалл уникален. Однако все снежинки имеют общую черту – они обладают гексагональной симметрией. Поэтому у «звёздочек» всегда вырастают три, шесть или двенадцать лучей.

В градинах размером от нескольких миллиметров до 20 см чередуются прозрачные и мутные слои льда, иногда в них «застревают» частицы пыли и даже насекомые.

Мало кого приводит в восторг град, но даже в таких кристаллах есть своя прелесть: чем сложнее и необычнее путь градин, тем уникальнее их форма. И тем удивительнее загадка. Недаром однажды Укихиро Накайя сказал: «Снег – это послание небес, написанное тайными иероглифами».

Симметрия многолика. Она обладает свойствами, которые одновременно и просты. И сложны, способны проявляться и единожды, и бесконечно много раз.

«Я считаю, что теплоту, охранявшую до сих пор вещество, одолел холод, и она как действовала (исполненная формообразующего начала), соблюдая порядок, и как сражалась, не нарушая его, так и в бегство обратилась, сохраняя известный порядок, и отступила». И. Кеплер

II. Симметрия в кристаллах

Рассматривая различные кристаллы, мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность это одно из основных свойств кристаллов. К понятию о симметрии мы привыкли с детства. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Е. С. Фёдорова (1853-1919), «кристаллы блещут симметрией».

В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии.

Например, кристаллы в форме куба (Хлорид калия, поваренная соль и др. ) имеют девять плоскостей симметрии, три из которых проходят параллельно граням куба, а шесть – по диагоналям. Кроме того, куб имеет три оси симметрии 4-го порядка, четыре оси 3-го порядка и шесть осей 2-го порядка. Куб ещё имеет центр симметрии. Всего в кубе 23 элемента симметрии.

Кристаллы алмаза, калиевых квасцов имеют форму октаэдров. Октаэдры обладают такими же элементами симметрии, что и кубы. На рисунке показаны оси вращения октаэдра.

У кристаллов магния, имеющих форму гексагональной призмы (т. е. призмы, опирающейся на правильный шестиугольник), 6 плоскостей симметрии и одна ось симметрии 6-го порядка.

У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов симметрии у них нет.

Из этого небольшого обзора симметрий различных кристаллов можно сделать вывод, что различные кристаллы обладают разной симметрией.

Симметричность кристаллов всегда привлекала внимание учёных. Уже в 79 г. нашего летоисчисления Плиний Старший упоминает о плоскогранности и прямобедренности кристаллов. Этот вывод и может считаться первым обобщением геометрической кристаллографии. С тех пор на протяжении многих столетий весьма медленно и постепенно накапливался материал, позволивший в конце XVIII в. открыть важнейший закон геометрической кристаллографии - закон постоянства двухгранных углов. Этот закон связывается обычно с именем французского учёного Роме де Лиля, который в 1783г. опубликовал монографию, содержащую обильный материал по измерению углов природных кристаллов. Для каждого вещества (минерала), изученного им, оказалось справедливым положение, что углы между соответственными гранями во всех кристаллах одного и того же вещества являются постоянными.

Не следует думать, что до Роме де Лиля никто из учёных не занимался данной проблемой. История открытия закона постоянства углов прошла огромный, почти двухвековой путь, прежде чем этот закон был отчётливо сформулирован и обобщён для всех кристаллических веществ. Так, например, И. Кеплер уже в 1615 г. указывал на сохранение углов в 60° между отдельными лучиками у снежинок. В 1669 г. Н. Стенон открыл закон постоянства углов в кристаллах кварца и гематита. Внимательно разглядывая реальные кристаллы кварца, Стенон также обратил внимание на их отклонение от идеальных геометрических многогранников с плоскими гранями и прямыми рёбрами. В своём тракте он впервые ввёл в науку реальный кристалл с его несовершенствами и отклонениями от идеализированных схем. Однако все эти отклонения не помешали учёному открыть на тех же кристаллах кварца основной закон геометрической кристаллографии. Однако написал он об этом очень кратко в пояснениях к рисункам, приложенным к его сочинению, поэтому честь называться автором закона досталась Лилю. Годом позже Стенона Э. Бартолин сделал тот же вывод применительно к кристаллам кальцита, а в 1695г. Левенгук – к кристаллам гипса. Он показал, что и у микроскопически малых и у больших кристаллов гипса углы между соответственными гранями одинаковы. В России закон постоянства углов был открыт М. В. Ломоносовым для кристаллов селитры (1749г. ) пирита, алмаза и некоторых других минералов.

Однако вернёмся к определению данному Лилем. В его версии закон постоянства углов звучит следующим образом: «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов».

Что же понимают под соответственными гранями?

В геометрии грани (плоские многоугольники) считаются равными, если они при наложении совпадают всеми своими точками. В кристаллографии равенство граней означает совершенно иное. Грани могут отличаться межу собой по форме и всё-таки считаться равными, если они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами. Установить равенство граней в кристаллографическом смысле удаётся иногда путём внешнего их осмотра. В сомнительных случаях производят травление поверхности кристалла кислотой. На равных гранях рисунок, полученный при травлении, будет одинаковым.

В кристалле кварца можно установить три сорта граней Хотя в разных кристаллах кварца грани имеют разный размер и форму, они считаются равными.

Закон постоянства углов утверждает, что двугранный угол, образованный гранями а и b, в различных кристаллах данного вещества будет один и тот же. Соответственно во всех кристаллах данного вещества будут равны и двугранные углы, образованные гранями а и с, b и c.

Итак, все кристаллы обладают тем свойством, что углы между соответственными гранями постоянны. Грани у отдельных кристаллов могут быть развиты по-разному: грани, наблюдающиеся на одних экземплярах, могут отсутствовать на других – но если мы будем измерять углы между соответственными гранями, то значения этих углов будут оставаться постоянными независимо от формы кристалла.

Однако по мере совершенствования методики и повышения точности измерения кристаллов выяснилось, что закон постоянства углов оправдывается лишь приблизительно. В одном и том же кристалле углы между одинаковыми по типу гранями слегка отличаются друг от друга. У многих веществ отклонения двухгранных углов между соответственными гранями достигает 10 – 20’, а в некоторых случаях и градуса.

Грани реального кристалла никогда не представляют собой идеальных плоских поверхностей. Нередко они бывают покрыты ямками или бугорками роста, в некоторых случаях грани представляют собой кривые поверхности, например у кристаллов алмаза.

III. Практические исследования

Кристалл, поэтом обновленный

Укрась мой мирный уголок,

Залог поэзии священной,

И дружбы сладостный залог.

В тебе таится жар целебный.

А. С. Пушкин

Кристаллы могут расти как в природе, так и в искусственных условиях.

В природе кристаллы растут вблизи водоёмов.

В соляных озёрах, на мелководье вода, нагреваясь, испаряется. Соль выпадает в осадок, наращиваясь на дне. Так образуются солончаки, представляющие дно высохших озёр.

Рост кристаллов в искусственных условиях:

В искусственных условиях кристаллы выращивают из раствора или из расплава.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие редко встречающиеся в природе кристаллы стали необходимыми для изготовления деталей приборов, машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможным. Возникла задача разработки технологии искусственного изготовления кристаллов

Наиболее распространенные способы выращивания кристаллов ― кристаллизация из расплава и кристаллизация из раствора. Эти технологии очень сложны.

Однако каждый желающий может вырастить некоторые кристаллы в домашних условиях путём кристаллизации из водного раствора кристаллического вещества.

Выращивают кристаллы из раствора, в основном, двумя способами. Один из них — охлаждение насыщенного раствора вещества. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе появляются крошечные кристаллы-зародыши и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы.

Другой метод выращивания кристаллов — постепенное удаление воды (испарение) из насыщенного раствора. В этом случае, чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Надо оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре — вода при этом будет испаряться медленно.

Вырастить кристаллы – это не пустая забава. В природе кристаллы растут на протяжении миллионов лет. А нельзя ли ускорить этот процесс? Оказывается можно.

Ни рубинов, ни алмазов, ни других драгоценных камней в условиях школьной лаборатории мы вырастить не можем.

Но и то, что нам по плечу, тоже достаточно красиво. Все кристаллы мы получали из насыщенных растворов, то есть из таких, в которых растворено так много вещества, что больше оно уже не растворяется. Воду для этих целей необходимо нагреть, тогда она вместит больше вещества.

Раствор мы готовили так: в горячую (но не кипящую) воду насыпали порциями вещество и размешивали стеклянной палочкой до полного растворения. Как только вещество перестаёт растворяться, это значит, что при данной температуре раствор насыщен.

Мы начали выращивать кристаллы с простых веществ – с поваренной соли и сахара. В двух тонких стаканах приготовили горячие насыщенные растворы. Сверху положили палочку, вокруг которых обмотана нитка. К свободному концу нитки привесили маленький груз – пуговицу. Чтобы нить распрямилась и висела в растворе вертикально, не доставая до дна.

Стакан мы оставляли на 2 – 3 дня.

Мы увидели, что нитка обросла кристалликами: в одном сосуде сахарными, а в другом – соляными. Проведя испытания с поваренной солью и сахаром, мы заинтересовались вопросом выращивания кристаллов из других веществ, которые имеются в нашей лаборатории.

Все кристаллы мы выращивали методом испарения насыщенного раствора.

IV. Кристаллы в современном мире.

Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них.

Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

В последнее время по несколько миллиардов долларов в год вкладывают в развитие новейших технологий, на смену обычным телевизорам и компьютерным мониторам приходят жидкокристаллические. С жидкими кристаллами связывают большие надежды – многие учёные прогнозируют в ближайшее десятилетие самый быстрый рост этого направления в микроэлектронике. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.

Жидкие кристаллы применяют так же и в медицине. Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла давно, ведь ультразвук для человеческого организма безвреден. Однако трудность заключалась в регистрации ультразвукового потока, прошедшего тело пациента. И вот тут жидкие кристаллы предложили свою помощь – они оказались чувствительны к ультразвуку. При этом нарушается молекулярная упаковка жидкого кристалла, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.

Кроме этого, в последнее время серьёзно рассматривается вопрос о роли жидких кристаллов в возникновении некоторых заболеваний в организме человека. Распространённость жидких кристаллов в живых тканях не удивительна. Основная деятельность клетки – обмен веществ. Жидкие кристаллы являются идеальным образованием для этого. Они могут поглощать вещества из газовой или жидкой фазы, могут растворять многие вещества, даже другой молекулярной структуры. Важную роль жидкокристаллическое состояние играет в системах, обеспечивающих смазку различных поверхностей в организме. На основе многих исследований созданы новые лазерные установки, которые используются в стоматологии для лечения кариеса.

V. Заключение

Человек встречается с кристаллами повсюду: употребляет в пищу, соль и сахар, любуется искрящимся снегом в ясную зимнюю погоду и, вообще, живёт в поражающем своим многообразием мире кристаллов. Кристаллы необычайно интересны и удивительны.