kvarco kristalas
baltymų kristalai
nanokristalų vaizdas, nufotografuotas naudojant elektroninį mikroskopą
kristãlai (gr. krystallos – ledas), dažniausiai kieti dariniai su periodiškai erdvėje pasikartojančia vidine sandara, kurią lemia tvarkingai visomis kryptimis išsidėstę atomai, jonai, molekulės ar jų grupės. Susidaro šaldant skysčius, lydalus, nusėdant ištirpusiai medžiagai ar kondensuojantis garams. Kristalai gali būti taisyklingų iškilųjų daugiasienių formos arba neturėti taisyklingų sienų ir briaunų, bet išlaikyti periodinę sandarą. Apvalių sienų ir briaunų kristalai, plokšteliniai, adatiniai, siūliniai, dendritiniai ir kitos formos kristalai užauga, kai kristalizacija vyksta esant dideliam nuokrypiui nuo termodinaminės pusiausvyros sąlygų. Monokristalai turi vientisą kristalo gardelę. Daugelis kietųjų medžiagų (rūda, techniniai metalai ir lydiniai) yra polikristalinės, t. y. sudarytos iš daugelio netvarkingai išsidėsčiusių kristalitų.
Kristalitai, kurių matmenys mažesni už 100 nm, vadinami nanokristalais, o medžiaga, susidedanti iš daugybės tokių chaotiškai suaugusių kristalitų – nanokristaline. Savo sandara kristalams artimi skystieji kristalai yra mezomorfinės būsenos (tvarkos laipsnis tarpinis tarp skystosios ir kristalinės būsenos) medžiaga – tiršti skysčiai, turintys elektriniu lauku keičiamas optines savybes, t. p. fotoniniai kristalai – periodinės sandaros dielektrikų ar metalodielektrikų dariniai, skaidrūs tam tikro dažnių ruožo elektromagnetinei spinduliuotei. Gamtoje susidarę kristalai būna įvairaus dydžio: nuo kelių šimtų kilogramų masės (kvarco, fluorito, feldšpato kristalai) iki miligramo dalių (deimanto kristalai). Moksliniams tyrimams ir pramonei kristalai auginami (sintetiniai, arba išaugintieji, kristalai). Kristalai gali turėti tik vienos paprastosios formos sienas (pav., a) arba tų formų kombinacijos sienas (pav., b). Kintant temperatūrai, t. p. nuo išorinių jėgų poveikio kristalų sandara gali kisti (struktūriniai faziniai virsmai). Pagal atomų ar sandaros fragmentų ryšį kristalai skirstomi į kovalentinius (deimantas, silicio karbidas SiC), joninius (natrio chloridas NaCl), metališkuosius (natris Na, intermetaliniai junginiai), van der Waalso ryšio, arba molekulinius (naftalenas, inertinių dujų kristalai), ir vandeniliškuosius (ledas). Kristalų atomų cheminio ryšio tipas lemia daugelį kristalo fizikinių savybių.
kai kurios kristalų formos: a – paprastosios geometrinės, b – mineralų sudėtingosios – paprastųjų formų deriniai; 1 – piramidė, 2 – dipiramidė, 3 – trapecoedras, 4 – skalenoedras, 5 – prizmė, 6 – romboedras, 7 – tetraedras, 8 – oktaedras, 9 – pentagoninis trioktaedras, 10 – kalamino, 11 – kalcito, 12 – chalkopirito, 13 – kuprito
Kovalentinio ryšio kristalai yra labai kieti, jų elektrinis laidis palyginti mažas, šviesos lūžio rodiklis didelis. Metališkojo ryšio kristalai gerai praleidžia elektros srovę ir šilumą, yra plastiški, neskaidrūs. Molekuliniai kristalai yra mechaniškai neatsparūs, lydosi palyginti žemoje temperatūroje. Tobulą vidinę kristalų sandarą kristalizacijos metu sutrikdo priemaišos ir atsiradę vidiniai įtempiai. Kristalams būdinga fizikinių savybių simetrija. Pvz., kubiniams kristalams būdinga šviesos sklidimo, elektrinio ir šilumos laidumo, šiluminio plėtimosi izotropija ir tampriųjų, elektrooptinių, pjezoelektrinių savybių anizotropija. Anizotropiškiausi yra mažiausios simetrijos (triklininės, monoklininės, rombinės singonijos) kristalai. Kai kurios savybės, pvz., šiluminės, akustinės, labiausiai priklauso nuo atomų tarpusavio sąveikos, elektrinės, magnetinės, optinės savybės – nuo elektronų energijos spektro, mechaninės, liuminescencinės savybės, spalva – nuo jų kristalo gardelės simetrijos, t. p. priemaišų kiekio ir rūšies. Kristalų simetrija lemia kristalo išorinės formos (plokščių paviršių, briaunų, viršūnių), atskirų atomų, jų elektroninių orbitalių bei fizikinių savybių pasikartojimo erdvėje dėsningumus. Kristalo elementų (plokštumų ir krypčių) padėtis nusakoma kristalografiniais indeksais. Kristalų simetriją apibūdina simetrijos elementai – tokios kristalo gardelės taškų perkėlimo operacijos, po kurių kristalas lieka nepakitęs. Kiekvienai kristalinei medžiagai galima parinkti tam tikrą mažiausio tūrio gretasienį, kurį perstumiant erdvėje trimis skirtingomis kryptimis galima užpildyti visą erdvę. Toks kristalo gardelės taškų sutapdinimo būdas vadinamas transliacine (poslinkio) simetrija. Gardelės taškų perkėlimo būdai, kai visa gardelė išlieka nepakitusi bent vienam gardelės taškui pasiliekant toje pačioje vietoje, vadinami makroskopinės, arba taškinės, simetrijos operacijomis. Jas sudaro šie pagrindiniai simetrijos elementai: sukimosi ašys, atspindžio plokštuma, inversinės sukimo ašys ir simetrijos centras. Pagal bendrus simetrijos elementus 32 kristalų klasės skirstomos į septynias kristalų singonijas (triklininę, monoklininę, rombinę, trigoninę, tetragoninę, heksagoninę ir kubinę). Sudėtingų kristalų gardelėse kristalografinis taškas gali žymėti atskiras molekules, taip pat sudėtingesnius tam tikra tvarka išsidėsčiusius atomų darinius. Tokių gardelių simetrija apibūdinama papildomais simetrijos požymiais, kuriuos nusako mikroskopinės simetrijos operacijos (nurodo atskirų atomų išsidėstymą elementariajame narvelyje). Jos jungia lygiagretųjį poslinkį ir taškinės simetrijos operacijas. Derinant taškinės simetrijos operacijas su lygiagrečiuoju poslinkiu gaunama sudėtingesnė taškų perkėlimo operacijų sistema, kuri vadinama erdvinės simetrijos grupe.
vanadžio oksido V2O5 mikrokristalai
Iš viso gali būti 230 skirtingų erdvinės simetrijos grupių. Kristalus tiria kristalografija, kristalų fizika, kristalų chemija. Pjezoelektriniai ir feroelektriniai kristalai naudojami radiotechnikoje, iš puslaidininkinių kristalų (germanis Ge, silicis Si, galio arsenidas GaAs ir kitų) gaminami mikroelektroniniai įtaisai. Magnetodielektrikų ir feritų kristalai naudojami didelės talpos atminties elementuose, rubino, itrio aliuminio granatų kristalai – kvantinėje elektronikoje. Elektrooptinių savybių kristalais valdomi šviesos pluoštai, piroelektrinių savybių kristalai naudojami nedideliam temperatūros pokyčiui, pjezoelektriniai ir pjezomagnetiniai kristalai – mechaniniam ir akustiniam poveikiui matuoti. Labai kietais kristalais (deimanto) apdirbamos medžiagos, kristalai yra laikrodžių ir kitų tiksliųjų prietaisų ašių atramos.
628
1813