Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту и т, д.
Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.
Кристаллы в природе
Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан
со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным
представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного
вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За
счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других
источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С. При такой
высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением
вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое
произошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на
поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже
— породы, слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества
верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем
остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору,
пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.
Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты.
Рассматривая зернистую поверхность гранита, можно сделать вывод,
какой из входящих в его состав минералов образовался раньше других. Зерна
этого минерала крупнее и имеют форму, близкую к форме правильных
кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы других минералов. Зерна
кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайную форму, так как
для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших
кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше
росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же
минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстром
охлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во время
извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы.
Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.
При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров и многие другие.
Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку минералов. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.
Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.
Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов.
Например, летучие пары соединений борного ангидрида оседая на стенках
пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда
достигающие 2—3 м длины.
На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита (Ре2О3) толщиной 1 м.
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов.
Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных
телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный
камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
В морской воде растворено много различных солей. Мириады организмов,
населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и
кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов
образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова
в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу
скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов. Мощные слои
известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений
раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земной коры
часть известняка оказалась на значительной глубине, где под действием
высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор
является типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород.
Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и
неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются
взаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться
в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обнаруживают
никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах
протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные
(такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они
начинают двигаться, размножаться.
Наконец, самое удивительное. Казалось бы, кристалл и живой организм представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В кристалле неизменными остаются сами атомы и молекулы и их взаимное расположение в пространстве, в живом организме не только не существует сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но даже ни на одно мгновение не остается неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие сложные соединения синтезируются из простых.
Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме,
этот организм остается самим собой в течение многих десятков и сотен лет!
Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно точной
его копией! Следовательно, в клетках любого животного или растения имеется
что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами,
протекающими в них. Такими носителями «программы» процессов, протекающих в
живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой
коротко ДНК. Эти молекулы уже упоминались во введении, когда речь шла о
самых больших молекулах в природе.
Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки! С полным основанием можно сказать, что молекула ДНК является основой жизни.
Согласно современным данным, молекула ДНК представляет собой двойную
спираль, составленную из небольшого числа сравнительно простых молекулярных
соединений, повторяющихся в строго определенном для данного вида порядке.
Диаметр молекулы ДНК равен 2*10-9 м, а длина может достигать нескольких
сантиметров. Такие гигантские молекулы с точки зрения физики
рассматриваются как особый вид твердого тела — одномерные апериодические
кристаллы. Следовательно, кристаллы — это не только символ неживой природы,
но и основа жизни на Земле.
Получение и применение кристаллов
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают
замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими
свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала,
встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом
электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике.
Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие
находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз — это кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллы окиси алюминия с различными примесями.
Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.
