ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВЛекция 23. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ПРОЧНОСТЬ. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
1. Жидкие кристаллы
Жидкими кристаллами называются жидкости, молекулярная структура которых характеризуется наличием дальнего порядка вдоль одного направления (в кристаллах дальний порядок присущ всем трем направлениям). Такие жидкости обладают одновременно свойствами твердого тела и жидкости: как твердые тела обладают пространственной анизотропией, как жидкости — высокой пластичностью. Поэтому считается, что жидкие кристаллы — это мезоморфное (промежуточное) состояние. Как правило, молекулы жидких кристаллов обладают дипольными моментами, взаимодействие между которыми и приводит к взаимному упорядочению в расположении молекул. В зависимости от условий образования жидкие кристаллы подразделяются на термотропные (образуются при изменении температуры), лиотропные (образуются в результате растворения твердого тела в растворителях) и фототропные (образуются в результате какого-либо облучения). Под воздействием электрического и магнитного поля дипольные моменты молекул некоторых жидкостей ориентируются параллельно, и жидкость ведет себя как одноосный кристалл, проявляя резко выраженную анизотропию физических свойств. Многие органические жидкости относятся к жидким кристаллам. Как правило, это органические вещества, молекулы которых имеют сильно вытянутую форму. Для таких жидкостей часто оказывается энергетически выгодно иметь совпадение осей молекул вдоль одного направления. В зависимости от ориентации молекул различают (рис. 24.1): а — нематические; б — холестерические; в — смектические жидкие кристаллы. У нематических кристаллов в макропределах оптические оси молекул параллельны, однако не сохраняется одинаковая ориентация молекул вдоль всего образца. Молекулы объединяются в группы (рои) с одинаковой ориентацией молекул. На рис. 24.1, а изображен один из роев. В соседних роях ориентации осей молекул не совпадают. У холестерических кристаллов молекулы ориентированы так, что их оси при переходе от слоя к слою располагаются по винтовой линии; у смектических — наблюдается слоистость расположения молекул. Жидкие кристаллы (или жидкокристаллическое состояние) существуют лишь в определенном интервале температур (от 2°С до 150 °С). У некоторых веществ существует несколько температурных интервалов жидкокристаллического состояния. Нагревание жидких кристаллов переводит их в состояние обычной жидкости, охлаждение — в кристаллическое. В кристаллическом состоянии твердому телу энергетически выгоден по всем степеням свободы дальний порядок. Нагревание может привести твердое тело в такое состояние, при котором по поступательным степеням свободы дальний порядок нарушается и сохраняется ближний, а по вращательным сохраняется и дальний. Дальнейшее нагревание нарушает дальний порядок по вращательным степеням свободы — вещество переходит в обычную жидкую фазу. Таким образом, принципиальное отличие жидких кристаллов от твердых — в степени упорядоченности, которая и определяет то, что фазовые состояния твердого и жидкого кристалла различны. Эксперимент подтверждает существование двух кристаллических фаз: переходы твердое тело ↔ жидкий кристалл, жидкий кристалл ↔ аморфное тело сопровождаются поглощением или выделением энергии, изменением удельного объема. В жидких кристаллах ярко выражено явление рекристаллизации: граница раздела двух фаз (аморфная и кристаллическая), граница раздела «кристаллических зерен» (областей с одинаковой ориентацией молекул) не является строго стабильной, способна легко перемещаться. Анизотропия жидких кристаллов, изменение их свойств (вязкости, поверхностного натяжения, электропроводности, цвета, магнитных, диэлектрических свойств и т. д.) под воздействием самых разнообразных энергетических факторов: температуры, механических деформаций, электрических и магнитных полей, света, рентгеновского, γ - излученийи т. д., находит весьма широкое практическое применение. Укажем на некоторые из них: - изменение ряда оптических свойств. В результате внешних воздействий (температуры, электрического и магнитного поля, механических напряжений, химических реакций, различного вида излучений) происходит изменение окраски, светопоглощения, «памяти» (ставший непрозрачным под воздействием электрического поля тонкий слой жидкого кристалла сохраняет длительное время непрозрачность и после выключения поля); - преобразование инфракрасного излучения в видимое («видение» в темноте). Черная мембрана — поглотитель инфракрасных лучей покрывается тонким слоем жидкого кри-сталла. Цвет кристалла (в отраженном свете) зависит от температуры, поэтому при освещении белым светом видно изображение участков пленки, па которые попало инфракрасное излучение; - очистка (поверхностная активность). Растворенное в воде мыло и многие моющие препараты являются смектическими кристаллами. Мыльный раствор состоит из множества двойных слоев молекул мыла (отрицательные концы которых обращены к воде), между которыми находится вода (рис. 24.2). Большая часть загрязнений (сажа, жиры, масла, пыль и т. д.) не смачиваются чистой водой. Мыло как поверхностно-активное вещество уменьшает коэффициент поверхностного натяжения воды примерно вдвое, что приводит к смачиванию загрязнений. Они обвалакиваются мыльной пленкой, легко скользят и переходят в водный раствор. В заключение отметим необычайно большую роль жидких кристаллов в живой природе. Распространенность жидких кристаллов в биологических системах обусловлена их высокой чувствительностью к окружающей среде, а также внутриклеточным процессам, гибкостью структуры, достаточной устойчивостью к внешним воздействиям; весьма высокой энергетической эффективностью процессов, происходящих в биологических жидких кристаллах. Крайне важна роль жидких кристаллов в обменных процессах, они — среда для действия сложных внутриклеточных катализаторов, основа действия мышечных и опорных тканей. Наш мозг (дезоксирибонуклеиновая кислота, несущая код наследственной информации) является сложной жидкокристаллической структурой.
Дефекты кристаллов
В природе не существует кристаллов, имеющих идеальную структуру: правильное, бесконечно повторяющееся в пространстве расположение частиц в кристаллической решетке. Реальная кристаллическая решетка всегда обладает рядом нарушений геометрического совершенства пространственной решетки. Различные нарушения правильности структуры кристалла называются дефектами. Их можно подразделить на макроскопические и микроскопические. К макроскопическим относятся трещины, инородные включения, поры и т. п. К микроскопическим относятся точечные, линейные (их чаще называют дислокациями) и двумерные дефекты. Дефекты, нарушая периодичность кристаллической решетки, приводят к локальному искажению электрического поля в структуре твердого тела. Даже небольшое количество дефектов сильно влияет на физические свойства кристаллов, создает вокруг себя микрообласти повышенной физико-химической активности. Рассмотрим основные типы микроскопических дефектов. Точечные дефекты можно подразделить на энергетические, электронные и атомные. Наиболее распространены энергетические дефекты — временные искажения регулярности решетки, вызванные тепловым движением (поскольку тепловому движению в твердом теле сопоставляется перемещение квазичастицы — фонона, то можно говорить о фононах как энергетических дефектах). К электронным дефектам относятся избыточные электроны или дырки (дырками называют незаполненные электронами валентные связи) и экситоны (экситон — дырка и электрон, связанные кулоновскими силами, представляют собой парный дефект). К атомным дефектам относят (рис. 24.3): наличие в кристаллической решетке вакантных узлов (рис. 24.3, а) — дефекты Шоттки, наличие лишних атомов данного кристалла А, либо посторонних атомов В в междоузлиях (рис. 24.3,6, в) — дефекты Френкеля; наличие примесных атомов В, замещающих атомы основных компонентов в узлах (рис. 24.3,г). Точечные дефекты спонтанно или в результате внешних воздействий могут концентрироваться, образуя скопления в виде линий — линейные дефекты (дислокации) или в виде плоскостей (двумерные дефекты). В отличие от точечных дефектов дислокации охватывают до миллиона частиц кристалла. Основными видами дислокаций являются краевая и винтовая. Краевая дислокация может быть получена за счет сдвига двух частей кристалла (рис. 24.4, а). Если воздействовать на кристалл силами , как показано на рисунке, то верхняя часть кристалла будет скользить по нижней. Как видно, сдвиг охватил не всю плоскость скольжения (A'B'CD),а лишь участок ABCD, граница сдвига АВ. Верхняя часть параллелепипеда сдвинулась относительно нижней на одно межатомное расстояние d. Площадь сдвига ABCD на рис. 24.4, а заштрихована. Краевую дислокацию можно рассматривать как результат внедрения некоторой дополнительной атомной плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, край которой ограничивается линией АВ (на рис. 24.4, 6 конец ее обозначен символом ). Эта плоскость действует как клин, изгибая и искажая решетку вдоль своего нижнего края (линия АВ). Верхняя часть кристалла (выше символа ) содержит на один ряд узлов больше, чем нижняя. В ядре дислокации строение кристалла сильно искажено. Поэтому не требуется больших усилий для перемещения атомов в области дислокаций, в результате этих усилий может наблюдаться последовательное перемещение линии дислокации на одно межатомное расстояние d. На рис. 24.5 показано перемещение дислокации (положения а, б, в, г, д)под действием касательных к кристаллу сил F в результате последовательного разрыва межатомных связей у атомов одного ряда кристаллической решетки с другим. Как видно, в данном случае процесс перемещения дислокации закончился смещением частиц кристалла на одно межатомное расстояние d с исчезновением краевой дислокации (выходом ее наружу — положение д). Винтовую дислокацию можно представить себе как смещение в результате небольшого поворота вокруг оси ОО' на угол d φодной части решетки (блока D)относительно другой части (блока С), в результате чего один край кристалла выступает на один период решетки d (рис. 24.6). На рис. 24.6, а линия дислокации АВ изображена пунктиром. Если посмотреть на кристалл справа, то проекции двух соседних горизонтальных атомных плоскостей блоков С и D оказываются смещенными (рис. 24.6,б); проекции атомных плоскостей блока С изображены сплошными линиями, блока D, сдвинутого вниз, — штрихами. Винтовые дислокации играют важную роль в процессе роста кристаллов. В принципе любая реальная дислокация может быть представлена как сочетание краевой и винтовой дислокаций. К двумерным дислокациям относятся: сама поверхность кристалла, границы зерен кристалла (зерна — участки, имеющие иную ориентацию решеток по отношению к основному кристаллу), совокупность близко расположенных рядов линейных дислокаций. Для характеристики дислокаций вводится понятие плотности дислокаций — число дислокационных линий, пересекающих единичную площадку, проведенную в кристалле. Плотность дислокаций в реальных кристаллах меняется в зависимости от способа получения в широких пределах: от 102 до 1012 см-2. Повышение температуры приводит к резкому увеличению точечных дефектов. Например, относительная концентрация дефектов Шоттки возрастает при температуре T ≈ 1000 К до 10-2. Поэтому с изменением температуры весьма резко изменяются многие физико-механические свойства твердого тела (механические, электрические, магнитные, оптические и т. д.). Количество линейных дислокаций (в отличие от точечных) практически не зависит от температуры. Это объясняется большой энергией линейной дислокации. Линейные дефекты охватывают своим искаженным электрическим полем большое число атомных узлов. Хотя ширина линейной дислокации невелика (несколько периодов решетки), энергия дислокаций оказывается большой (до 30 эВ) благодаря тому, что линии простираются до величины сотен тысяч периодов решетки. Именно благодаря большой энергии линейной дислокации повышение температуры не приводит к возникновению линейных дефектов, но зато небольшие напряжения (105 н/м2), вызванные внешним воздействием, приводят к перемещению линейной дислокации. Дислокации при этом взаимодействуют между собой и другими дефектами, в результате чего происходит рост числа дислокаций, что существенно меняет механические свойства кристалла.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|