Версія від 11:44, 21 травня 2020, створена Андрій Тищенко (обговореннявнесок)
(різн.) ← Попередня версія • Поточна версія (різн.) • Новіша версія → (різн.)

Кріокристали

Характерна структура простих молекулярних кріокристалів
Кріокристали

Кріокриста́ли (стара назва — затверділі гази) — окреме і відносно невелике сімейство кристалів, утворених атомами або молекулами (зазвичай невеликими), які слабо взаємодіють між собою, що зумовлює низьку температуру їхньої кристалізації. Водночас переважно проста кристалічна будова робить ці тверді тіла зручними для дослідження загальних закономірностей кристалічного стану.

Характеристика

Кріокристали належать до класу діелектричних середовищ — атомарних або молекулярних.

Найвідоміші атомарні — це благородні елементи Ne, Ar, Kr і Xe у твердому стані. Відрізняються найпростішою кристалічною структурою, є фактично модельними системами з центральною міжатомною взаємодією, яка зумовлює їхнє кубічне впорядкування. Ця взаємодія має два основні складники:

1) дисперсійні сили притягання;

2) валентні сили відштовхування.

Основними колективними низькочастотними збудженнями цих кристалів є квазічастинки коливного типу — фонони, а високочастотними — екситони, що виникають в кристалах завдяки внутрішньоатомним електронним збудженим станам самих атомів.

Молекулярні кріокристали — це тверді тіла, утворені простими молекулами: N2, O2, CO, CО2, CH4, CD4, NH4 тощо. Високу досліджуваність має фулерит (також кубічний кристал), в який при затвердінні переходять найбільш симетричні серед відомих молекули фулерену С60. При цьому, оскільки внутрішньомолекулярна взаємодія набагато перевищує міжмолекулярну, молекули в цих кристалах не втрачають своєї індивідуальності і можуть, крім трансляційних зміщень (у кристалі перетворюються на фонони — акустичні та оптичні), здійснювати також невеликі коливання обертального характеру. Завдяки цьому в молекулярно-кристалічному стані з’являються нові колективні (квазічастинкові) збудження — ліброни.

Ще один тип збуджень таких кріокристалів відповідає внутрішньомолекулярним коливанням, які колективізуючись, породжують у твердому стані ще один тип квазічастинок — віброни. Подібно до атомарних кріокристалів, збуджені електронні стани молекул перетворюються у трансляційно впорядкованому середовищі в екситони. Існують і спостерігаються й всі можливі комбінації цих збуджень.

Серед міжмолекулярних взаємодій, крім центральних, є й нецентральні, які збагачують молекулярні кристали структурами з різним взаємним міжмолекулярним орієнтаційним порядком. Зокрема, від співвідношення центральних та нецентральних сил на користь перших може виникати явище орієнтаційного плавлення, або процес виникнення орієнтаційного молекулярного хаосу, при збереженні твердої фази в цілому, будова якої визначається лише центральними міжмолекулярними силами.

Серед молекулярних кріокристалів особливе місце посідає твердий кисень. Це єдиний молекулярний магнетик, в якому, внаслідок наявності в основному стані молекули O2 нескомпенсованого спіну, разом із згаданими збудженнями існують магнітні елементарні збудження — магнони і біекситони. Твердий кисень має три тверді модифікації. Магнітна структура однієї з них — трипідґраткове спінове впорядкування — була передбачена (1979) українським теоретиком В. М. Локтєвим; отримала його ім’я.

Спеціальну групу твердих тіл утворюють т. зв. квантові кристали, а фактично лише кріокристали (3Hе, 4He, H2, HD, D2, HT, T2, а також CH4), динамічні та термодинамічні властивості яких, включаючи плавлення, не можна описати в рамках класичного підходу. Причина цього — надзвичайно слабка міжатомна (для гелію) і міжмолекулярна взаємодія, малі розмір і вага, які визначають дуже низькі (у випадку гелію — із застосуванням підвищеного тиску) температури кристалізації цих речовин, висока їхня пластичність, стисливість та коефіцієнт теплового розширення. Найбільш характерною ознакою твердого квантового стану є настільки великі зміщення кожної частинки з положень кристалічної рівноваги в ґратці, що їхня амплітуда виявляється порівняною з міжчастинковими відстанями.

Значення

Вивчення кріокристалів перспективне не тільки через значний фундаментальний складник, а й з прикладного погляду. Тверді суміші кріокристалів мають досить широке застосування в космічній галузі як елементи ракетного палива, хладоагенти для стабільної роботи радіотехнічних пристроїв, у кріотехніці, кріомедицині, зберіганні швидкопсувних продуктів та нетривких виробів тощо.

Література

Криокристаллы / А. Ф. Прихотько, В. Г. Манжелий, И. Я. Фуголь и др. ; под общ. ред. Б. И. Веркина, А. Ф. Прихотько. Киев : Наук. думка, 1983. 526 с.

Автор ВУЕ

Редакція ВУЕ


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Кріокристали // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Кріокристали (дата звернення: 28.05.2020).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
02.05.2020

Покликання на статтю

Опитування читачів ВУЕОпитування читачів ВУЕ