Fizyka - Mechaniczne i termodynamiczne właściwości ciał 4b
Struktura ciał stałych
Atomy wszystkich ciał stałych układają się w sztywną sieć przestrzenną. Można wyróżnić dwa skrajne rodzaje takich struktur: amorficzną (bezpostaciową) oraz krystaliczną.
Węzły sieci amorficznej ułożone są przypadkowo, chociaż odległości międzyatomowe są z grubsza takie same, jak w ciałach krystalicznych. Odległości między sąsiednimi atomami we wszystkich ciałach stałych są rzędu kilku angstremów (1 = 10-10 m).
W sieci krystalicznej atomy znajdują się w punktach stanowiących regularną sieć. Położenia węzłów powtarzają się co pewien odcinek, zwany stałą sieci. W różnych kierunkach stała ta może być różna. Jest duża różnorodność struktur krystalicznych, które jednak można sprowadzić do siedmiu podstawowych układów krystalograficznych: kubiczny (inaczej: regularny), tetragonalny, rombowy, heksagonalny, jednoskośny, trójskośny i romboedryczny. W każdym układzie można wyróżnić pewną jednostkową komórkę (od której pochodzą wymienione nazwy), zawierającą węzły tylko w wierzchołkach. Komórki elementarne dla tych układów przedstawione są na poniższych rysunkach.
Układ kubiczny Układ tetragonalny
(sześcian) (prostopadłościan o podstawie kwadratowej)
Układ rombowy Układ heksagonalny
(graniastosłup prosty (graniastosłup prosty
o podstawie równoległobocznej) o podstawie będącej sześciokątem foremnym)
Komórką elementarną w układzie jednoskośnym jest graniastosłup prosty, którego podstawą jest równoległobok o różnych bokach. W układzie trójskośnym graniastosłup ten jest ukośny. Układ romboedryczny różni się od rombowego tym, że podstawą jest romb o kącie przy wierzchołku równym 60o.
W układzie regularnym można utworzyć dwie dodatkowe struktury: centrowaną przestrzennie (dodatkowy węzeł w środku sześcianu) oraz centrowaną w ściankach (dodatkowe węzły w środkach ścian bocznych). Podobne struktury tworzą się w układzie tetragonalnym, rombowym i heksagonalnym (tylko centrowana przestrzennie). Razem wyróżnia się 14 prostych sieci, zwanych też sieciami Bravais. W każdej z nich można znaleźć podstawowa jednostkę - równoległościan - w której węzły znajdują się tylko w narożach i z których można utworzyć całą sieć. Nazywamy go komórką prostą.
Dwuwymiarowy przykład sieci kwadratowej centrowanej w środku przedstawia rysunek.
Komórką elementarną jest tu kwadrat ABCD, komórka prostą - równoległobok ABFE.
Rzeczywiste struktury krystaliczne są złożeniem wyżej wymienionych układów. Komórka elementarna może zawierać kilka różnych atomów lub cząsteczek.
Polikryształy
Występujące w naturalnych warunkach substancje krystaliczne nie są pojedynczymi kryształami z jednorodną strukturą, lecz są złożone w mikroskopijnych kryształków, sztywno ze sobą połączonych. Wszystkie mają podobną strukturę geometryczną, lecz ich orientacje przestrzenne są rozłożone chaotycznie. Próbki takie nazywamy polikryształami, w odróżnieniu od monokryształów, których otrzymanie wymaga specjalnych technik laboratoryjnych.
Monokryształ Polikryształ
Ciekłe kryształy
Szczególną formą fazy skondensowanej są tzw. ciekłe kryształy, posiadające cechy pośrednie miedzy kryształami i cieczami. Tworzą je substancje organiczne, których cząsteczki są silnie wydłużone. W wyniku słabych oddziaływań między tymi cząsteczkami pojawia się charakterystyczne uporządkowanie, powodujące anizotropię własności mechanicznych, elektrycznych i optycznych, charakterystyczna dla kryształów normalnych.
Wzory chemiczne tych substancji są dość złożone i nie będziemy ich przytaczać.
Wyróżnia się trzy rodzaje ciekłych kryształów: nematyczne, smektyczne i cholesterolowe.
W nematyku osie wszystkich cząsteczek są równoległe, natomiast ich środki rozmieszczone są przypadkowo, choć przy zachowaniu odpowiednich odległości.
Smektyk wykazuje wyższy stopień uporządkowania: cząsteczki układają się w równoległe warstwy, które są ze sobą luźno związane i mogą się przesuwać względem siebie. Osie cząsteczek są prostopadłe do płaszczyzny warstwy.
Cholesteryk jest układem podobnym do smektyka, z tym, że osie cząsteczek leżą w płaszczyźnie warstwy. Orientacje cząsteczek w kolejnych warstwach tworzą strukturę spiralną.
Ciekłe kryształy są istotnym składnikiem biologicznych błon komórkowych. W technice wykorzystuje się je głównie do produkcji ekranów wyświetlających w kalkulatorach, monitorach, telewizorach. Wykorzystuje się je także w światłowodach. Duża wrażliwość na zmianę temperatury, przejawiająca się np. poprzez zmianę zabarwienia, wykorzystywana jest w specjalistycznych termometrach.
