Кристаллы: Бриллианты и соль

Самый знаменитый драгоценный камень — Кохинур, древний индийский алмаз с кровавой историей, находящийся во владении английской короны, и самый крупный алмаз — Куллинан, также принадлежащий Её Величеству — такие же кристаллы, как и обычная соль. Разумеется, отличающиеся от неё свойствами.

Мы постоянно окружены кристаллами. Каждая песчинка на берегу — крошечный кристалл. Каждая снежинка — прекрасный кристаллический узор. А, вероятно, самый полезный кристалл — крупинка хлорида натрия, поваренной соли, без которой не одно животное не сможет поддерживать необходимый для жизни состав крови.

Если бы каким-то волшебным образом исчезли все кристаллы в мире, исчезло бы всё построенное человеком из кирпича, камня или бетона, стальные мосты обратились бы в прах, а вы, глядя на всё это, пили горький кофе, потому что сахар тоже бы пропал.

Зато хрустальные вазочки вашей мамочки, вероятно, остались бы на своих местах в серванте — скорее всего, они изготовлены не из горного хрусталя, а из хрустального стекла.

Что такое кристаллы

Точное знание о том, что из себя представляют кристаллы, стало возможным с установлением атомарного строения вещества. В древности любой яркий, прозрачный камень называли кристаллом. Как утверждают антропологи, поиск этих сверкающих кусочков камня на дне ручьёв и на берегу моря стал едва ли не первой цивилизованной деятельностью человека. Это было основой для первых форм торговли и толчком к миграции некоторых групп людей.

В наши дни кристаллы по-прежнему неудержимо притягательны для человека. Мужчины и женщины губят свои жизни из-за ярких драгоценностей; богатые коллекционеры складируют прекрасные, с их точки зрения, образцы минералов; люди науки пристально изучают кристаллы — не ради услады глаз, а ради новых фактов, объясняющих, как устроен наш мир.

Наука о строении кристаллов во многом обратна коллоидной химии. В коллоидах, например, в яичном белке или в клее, атомы расположены более или менее случайным образом, как толпа людей, бродящая по площади. В кристаллах, например, в алмазе или в крупинке сахара, атомы расположены в строгом порядке, как солдаты, марширующие по той же площади во время парада. Поэтому кристаллы имеют гладкие, плоские поверхности, отражающие свет, как делают это грани бриллианта. Последний слой атомов на поверхности кристалла расположен в одной плоскости, как люди в крайней шеренге марширующей парадной «коробки». От таких поверхностей легко и без искажения отражаются лучи света. Некоторые некристаллические вещества тоже могут быть блестящими, например, полированное стекло, но они обычно не имеют такого «бриллиантового» блеска.

Если взглянуть на правильную атомную решётку можно понять, как она важна для тех свойств, которыми обладают кристаллы.

Главное её качество — правильное расположение атомов, их узор постоянно повторяется. В кристалле алмаза, полностью состоящего из атомов углерода, они расположены абсолютно одинаково друг относительно друга, как стальные балки в каркасе небоскрёба.

Удобная модель для того, чтобы наглядно представить кристалл алмаза — обычный игральный кубик, но с пятью точками на каждой грани. Он будет представлять собой одну простейшую кубическую структуру, из которых сложен алмаз любого размера. Каждый угол занят одним атомом углерода, соответствующий чёрной точке на грани кубика. В центре каждой грани находится ещё один атом — с четырьмя угловыми атомами он образует пятиточечную структуру на каждой грани. Внутри куба находится ещё четыре атома углерода, расположенные так, что куб кристаллической решётки алмаза оказывается сложен из треугольных пирамид — тетраэдров.

Даже мельчайший алмаз сложен из миллиардов таких повторяющихся кубов, это фундаментальное свойство строения алмаза — кубическая решётка, самое плотное из возможных расположений атомов в кристалле.

Если такого строгого расположения атомов не будет, атомы углерода перестанут быть алмазом. Графит, из которого делают грифели для карандашей, тоже состоит из углерода, такого же чистого, как в алмазе, а иногда и чище. Но графит совершенно не похож на алмаз. Алмаз — самое твёрдое из известных веществ, графит — одно из самых мягких; вместо блеска и прозрачности алмаза графит тусклый, чёрный и непрозрачный. А всё различие между ними — в расположении атомов.

В Южной Африке, где обнаружено большинство крупных и знаменитых алмазов мира, эти драгоценные камни часто находят в любопытном минерале, называемом «голубой глиной» — кимберлите. Геологи считают, что миллионы лет назад эта алмазоносная порода долго застывала глубоко под землёй под миллионнотонным давлением на каждый квадратный сантиметр. При некоторых условиях атомы углерода, растворённые в расплавленной породе, могли собраться вместе и под действием этого огромного давления, температуры и медленного остывания приобрести алмазное строение вместо того, чтобы обратиться в графит.

Если искусственно получить кристалл алмаза пока не удалось никому, то кристаллический сахар может получить каждый. Результатом будут большие, прямоугольные леденцовые карамельки. Нужно просто позволить кристалликам сахарного песка вырасти, погрузив их в сахарный сироп. Если выращивать их долго, позволяя сахару откладываться на кристалле медленно, за несколько лет можно получить леденцовую «карамельку» в виде монокристалла сахара огромной твердости, размером с футбольный мяч.

Железо, медь и другие металлы также имеют кубическую решётку, но она отличается от той, которая образует алмаз. У меди «пятиточечный кубик» всё тот же, но внутри него нет дополнительных атомов. Кубик кристалла железа ещё проще — с четырьмя точками на каждой грани, вместо пятиточечного у алмаза. В центре кубика железа находится один внутренний атом.

Другие химические элементы и соединения обладают иными кристаллическими решётками — их известно множество и большинство из них изучено с помощью рентгеновского излучения — главного инструмента кристаллографов. Из таких форм-шаблонов и их комбинаций построены все кристаллические минералы и химические соединении, как художник может создать скульптуру или сложить мозаику из маленьких одинаковых кусочков простой формы — кубиков, пирамидок и т. п.

Один из наиболее известных из всех кристаллов и, возможно, наиболее полезный для науки, служит эталоном длины для всего мира кристаллов — кристалл хлористого натрия, обычной столовой соли. Как и кристаллы сахарного песка, обычная соль для применения в кулинарии делается мелкой, чтобы она легче пересыпалась — это достигается поддержанием нужной скорости кристаллизации соли из раствора при её очистке. Но для научных целей выращиваются кристаллы соли намного большего размера, из которых вырезают призмы и шлифуют линзы, необходимые для исследований в инфракрасных лучах.

Расстояние между отдельными атомами в кристалле соли определено с исключительной точностью. И оно чрезвычайно мало. Представьте, что учёный-кристаллограф получил возможность увеличить кубик монокристалла поваренной соли объёмом в один кубический сантиметр до таких размеров, что одна его грань будет иметь длину, равную расстоянию от Харькова до Лондона. Даже в таком случае расстояние между отдельными атомами решётки не будет превышать 20 сантиметров.

Такой кубик с гранью в один сантиметр (примерно столько, сколько обычный человек съедает соли за обедом) содержит более 11 квинтиллионов простейших кубиков кристаллической решётки.

Практическая польза кристаллов

С практической точки зрения успехи кристаллографии оказали наибольшую помощь металлургам. Прочность или слабость металла — вопрос строения его кристаллической решётки. И знания об этом, например, помогли подняться в воздух таким гигантам, как немецкий дирижабль LZ 127 «Граф Цеппелин» или украинский сверхтяжёлый транспортный самолёт Ан-225 «Мрія». Почему? Ответ — дюралюминий. Дюралюминий — это сплав алюминия, меди и некоторых других металлов, очень лёгкий и очень прочный. Эта прочность обусловлена тем, что среди более крупных кристаллов алюминия распределены более мелкие кристаллы других элементов. Эти мелкие кристаллы не дают крупным структурам скользить друг относительно друга и расходиться в стороны. Похожие сплавы изготавливаются и из меди, и из других металлов.

В технике применяются и другие качества кристаллов. В радиоэлектронике, например, используется свойство пластинок кварца вибрировать на строго определённой частоте при приложении к ним электрических колебаний — это позволяет удерживать вещание радиостанции на нужной длине волны, не позволяя ей «плавать».

В оптических приборах кристаллы кварца применяют, например, для анализа ультрафиолетового излучения, а кристаллы исландского шпата — для получения поляризованного света (например, в сахарометрах). Исследование снежинок (кристалликов льда) может сказать синоптиками о состоянии верхних слоёв атмосферы.

Исследование нескольких кристалликов помогает эксперту определить — что за лекарство или вещество было обнаружено вчера на месте суицида или убийства. Так же, как другой исследователь — геолог — может узнать, как образовались породы морского дна Атлантики тысячи лет назад.