НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ





Ученые создали высокостойкий сплав титана и тантала

История первого чугуна

Броня Победы

Древние плавильные печи найдены в Монголии



предыдущая главасодержаниеследующая глава

В архитектурной мастерской природы

Кристаллические формы... несут в себе 
нечто от эстетической привлекательности 
простоты: изучая эти элементарные формы, 
мы как бы приближаемся к самым основам 
понятия формы; пытаясь же понять 
принципы их строения, 
мы узнаем нечто о природе 
пространства, о мире, в котором живем.

Чарлз Банн

Главный секрет очарования кристаллов - природное совершенство формы. Вспомните хотя бы тяжелые золотистые кубики пирита или островерхие (как отточенные карандаши) кристаллы горного хрусталя или аметиста (рис. 20), или шестигранные призмы берилла - голубого аквамарина или желтого гелиодора (рис. 21). А вот более сложные и причудливые симметричные фигурки - на удивление точно четыре, шесть, восемь, двенадцать и даже двадцать четыре раза могут повторяться, словно отраженные невидимыми зеркалами грани: треугольники, трапеции, параллелепипеды. Это кристаллы циркона, кальцита, алмаза, граната, сфалерита. А причудливо-симметричные звезды снежинок! Английский натуралист У. Бантли, очарованный их бесконечными вариациями, потратил годы, ловя снежинки на черную доску и затем фотографируя их под микроскопом. В результате этой кропотливой работы возник целый том с сотнями фотографий ажурных кристаллов снега.

Рис. 20. Кристаллы аметиста
Рис. 20. Кристаллы аметиста

Рис. 21. Берилл
Рис. 21. Берилл

Что же это? Волшебная игра? Урок геометрии? "Неужели они такие от природы?" - с восхищением восклицают люди. Да, от природы!

Эвклид не "придумал" геометрию - он лишь почувствовал гармонию природы, законы симметрии, действительные для мертвой и живой материи. В огненно-жидкой магме, в горячих струях растворов, просачивающихся сквозь поры и трещины горных пород, в клубах газов и паров, вырывающихся из вулканов, находятся в непрерывном движении потоки атомов и молекул. Остановиться и начать новую упорядоченную жизнь им не легко. Вспомните неуправляемую "стихию" в школе на большой перемене! Но звенит звонок и сотни школьников не только разбежались по своим классам, но и сели попарно лицом к доске. Вот также из подвижной, непрерывно меняющейся магмы "по звонку" возникают предельно четкие кристаллы. Но что же играет роль "звонка" в природных процессах минералообразования?

В первую очередь - температура. Пока магма находится в раскаленно-жидком состоянии, трудно даже подумать о каком-либо порядке среди молекул. Но вот постепенно магма остывает и густеет, атомы и молекулы различных элементов сближаются все больше и больше, и, наконец, схваченные различными межмолекулярными силами притяжения (гравитационными, электрическими, магнитными), они останавливаются в наиболее удобных устойчивых позициях. Под действием этих сил молекулы еще не вполне остывшей магмы выстраиваются в симметричном и закономерном чередовании, образуя устойчивый пространственный узор, который мы называем кристаллической решеткой. Какой именно единственный узор будет стабилен для данного набора атомов (т. е. химического состава магмы на этом участке), зависит в первую очередь от соотношения их размеров, величины и знака зарядов и др. Сами грани кристаллов - это стенки разнообразных архитектурных сооружений - кристаллических решеток. Английский кристаллограф Ч. Банн писал по этому поводу: грани кристаллов - "...это только простейшие способы завершения кладки; ... симметрия, проявляющаяся во внешней форме кристаллов, лишь отражает симметрию узора кладки".

Итак, форма кристаллов отражает в первую очередь внутреннюю структуру минералов. Правда, когда минералы кристаллизуются из магмы, только самые первые да еще самые сильные (есть у них такая "кристаллизационная сила") успевают захватить место и образовать правильные кристаллы, а остальные втискиваются кое-как в промежутки, - тут уж не до формы! Только рентгеновые лучи выявляют кристаллическую сущность этих бесформенных зернышек. Если порода застывает на глубине, в ней все-таки заметны кристаллические зерна (вспомните хотя бы гранит или лабрадорит), а вот если магма выливается на поверхность при извержении вулканов, порода застывает так быстро, что кристаллы просто не успевают образоваться и получается вулканическое стекло.

А как же образуются дивные кристаллы - прозрачные, с гладкими блестящими гранями, о которых мы говорили вначале? Они растут не из расплава, а из водных растворов. Огромное количество солей различных металлов растворено в подземных водах, которые просачиваются по трещинкам и порам горных пород. Разнообразные химические реакции и просто остывание или испарение растворов приводят к выпадению растворенного вещества, и на мельчайших пылинках, обломочках породы, на стенках трещин и пустот, а иногда и просто сами по себе начинают осаждаться первые группы молекул - зародыши будущих кристаллов. Они осаждаются и тут же растворяются вновь - возникают и тают, как снежинки.

Для образования зародыша необходимо, чтобы несколько молекул расположились в позициях, соответствующих устойчивому кристаллическому узору. Но в беспокойном мире молекул не легко остановиться и положить начало упорядоченному существованию: если какая-то группа молекул и сможет распространиться в порядке закономерного узора - уже в следующий миг она, возможно, будет грубо разрушена энергичными соседями. Но как только некоторым группам удается все же немного вырасти - тут же на них устремляются все новые и новые молекулы, их уже не в силах удержать остывающий раствор! И кристаллы растут! Слой за слоем, как деревья.

Одни грани растут быстрее, другие медленнее, окончательную огранку кристаллу придают именно медленнорастущие грани. Кристаллы одного и того же минерала, но выросшие при разных условиях могут очень сильно отличаться друг от друга. Известно, например, что в более холодных растворах грани кристаллов при росте расщепляются, образуя веера, целые снопы или даже шары, составленные из тонких призмочек - сферолитов. Особенно охотно образуются новые кристаллы вблизи уже возникших раньше, поэтому так часты кристаллические сростки - друзы, похожие то на волшебные замки с башенками, то на каменные щетки (рис. 22).

Рис. 22. Друза исландского шпата
Рис. 22. Друза исландского шпата

Самые красивые крупные и прозрачные кристаллы вырастают в пустотах пород - хрустальных погребах, где скапливается последняя часть расплава - раствора, переполненная газами и парами, да еще в трещинах гор - так называемых альпийских жилах, куда растворы постепенно выносят вещество материнской породы.

Здесь они переотлагаются уже не из расплава, а из раствора, очень медленно, достигая необычайного совершенства. Из холодных растворов растут в пещерах и гигантские арагонитовые и халцедоновые сосульки (рис. 23). Вода по такой сосульке стекает просто под действием тяжести, медленно испаряясь при этом, а содержащиеся в ней соли остаются, кристаллизуются на кончике, удлиняя сосульку еще на тысячную долю миллиметра. Примерно так же растут и круглые малахитовые почки (рис. 24), из растворов, выщелачивающих медь из медных руд. Только растут они обычно в небольших пустотах во вмещающих известняках и на них действуют в первую очередь не силы тяжести, а силы поверхностного натяжения - те самые, которые скатывают в шарики капельки росы на листьях.

Рис. 23. Натечные формы халцедона
Рис. 23. Натечные формы халцедона

Рис. 24. Почка малахита
Рис. 24. Почка малахита

А некоторые кристаллы умудряются расти прямо в твердой породе. Растворы, поднимаясь по мельчайшим порам и трещинкам породы, постепенно разрушают старые кристаллы. Одни вещества при этом уносятся далеко, а другие переотлагаются тут же, часто прямо на гранях старых кристаллов, образуя пленочки, присыпки (рис. 25), "рубашки" (рис. 26). Все больше и больше вытесняя неустойчивого "хозяина", они заполняют весь объем и в старых гранях размещается уже совсем другое, новое вещество! Такие фокусы называются псевдоморфозами. Иногда поздние минералы замещают не кристаллы, а остатки растений или животных (рис. 27).

Рис. 25. Присыпка марказита на кварце
Рис. 25. Присыпка марказита на кварце

Рис. 26. 'Рубашка' кварца на флюорите
Рис. 26. 'Рубашка' кварца на флюорите

Рис. 27. Псевдоморфоза опала по дереву
Рис. 27. Псевдоморфоза опала по дереву

Эти новые, более устойчивые в изменившихся условиях минералы осаждаются не только внутри контуров растворенных, бывших или, как говорится, "теневых" кристаллов. Они осаждаются и по мелким трещинкам и порам, создавая вначале тонкую вкрапленность, а затем замещая первоначальную породу нацело.

Представьте себе теперь, что трещины, подающие раствор, приоткрылись глубже, поступающий раствор стал горячее и активнее. Кристаллы в подобных условиях даже могут перейти на время в раствор, а потом их молекулы вновь осядут на гранях более крупных кристаллов. Они как бы собираются все вместе, чтобы путем "собирательной перекристаллизации" создать те огромные, длиной до нескольких (и даже десятков) метров кристаллы, размеры которых так поражают нас в пегматитах. Совершенством граней такие кристаллы, правда, не блещут, но это и понятно - кристаллики меньших размеров всегда более красивы и более совершенны, ведь какое-то время они растут без дефектов и помех... Кристаллы могут при этом раствориться частично. Такое растворение(или природное травление) кристаллов поздними растворами различно в разных кристаллографических направлениях (рис. 28).

Рис. 28. Кристалл берилла с фигурами растворения на гранях
Рис. 28. Кристалл берилла с фигурами растворения на гранях

Есть, наконец, в царстве кристаллов образования, которые стоят несколько особняком. Как-то не сразу приходит в голову, что это тоже кристаллы (рис. 29). Речь идет об идеальных кристаллах - кристаллах-иголках, кристаллах-волосинках, кристаллах-нитках. Самый популярный из них - горный лён или асбест. Его удивительные эластичность и прочность, позволяющие прясть из него пряжу и ткать несгораемые ткани, были известны еще в древней Индии и Китае. В 315 г. до н. э. дал описание асбеста первый греческий минера-лог Теофраст. В XVIII веке изделия из асбеста - перчатки, изящные кружевные салфетки - делали в Европе и у нас на Урале.

Рис. 29. Нитевидные кристаллы халцедона
Рис. 29. Нитевидные кристаллы халцедона

Рассказывают, что уральский заводчик Демидов подарил царю Петру Первому красивую серебристую скатерть из неведомой ткани. За торжественной трапезой Демидов с демонстративной неловкостью залил скатерть жирным соусом и красным вином и на глазах растроенного царя швырнул ее в пылающий камин! Выждав некоторое время, он с видом фокусника выхватил скатерть из пламени и, слегка остудив ее, снова расстелил чистую и сверкающую на столе.

Те, кто бывал в минералогических музеях, наверное помнят удивительные закругленные нити серебра, золотистые тонкие струны рутила. Исследования последних лет показали, что около 150 различных минералов могут кристаллизоваться в виде тончайших волокон. Иногда эта форма связана со структурой кристаллической решетки, имеющей в таких случаях форму бесконечной цепочки, но часто она связана лишь с направлением питающих кристалл растворов - "симметрией среды". И вот оказалось, что эти нити, или "усы", обладают поистине удивительной прочностью в десятки раз превосходящей прочность других кристаллических форм из тех же веществ. Прочность "усов" приближается к идеальной, вычисленной по формулам - это объясняется тем, что поверхность "усов" идеально гладкая, даже при увеличении в 40000 раз на ней не обнаруживаются дефекты. Поверхность же прочих кристаллов буквально испещрена ими, а ведь разрушения начинаются всегда с самых слабых мест.

Искусственными и естественными нитевидными кристаллами заинтересовались ученые и инженеры. Эти кристаллы уже сейчас находят важное применение в технике, например сапфировыми и графитовыми "усами" армируют тугоплавкие металлы. Из таких материалов делают части газотурбинных двигателей и жаропрочные детали ракет.

А как же снежинки? Эти хрупкие, бессчетные, падающие с неба и никогда не повторяющиеся звездочки? Почему мы называем их кристаллами - ведь граней-то у них нет? Оказывается, помимо кристаллизации из расплава или раствора существует еще один путь: кристаллы могут возникать непосредственно из газа - так снежинки кристаллизуются из водяных паров в виде ажурных тел, представляющих собой как бы "скелетики" плоскогранных форм. Они растут не послойно, а за счет быстрого "выброса" веточек в разных направлениях. Помимо снежинок и морозных узоров непосредственно из газов выпадают кристаллы некоторых веществ, таких, как хлористый аммоний или сера близ действующих вулканов.

Впрочем, иногда дендриты и "скелетные кристаллы" растут и не из паров, но всегда их форма как бы отражает стремление продвинуться как можно дальше и быстрей при минимуме используемого материала. Таковы, например, тонкие ветвистые "деревья" - дендриты окислов марганца на поверхности или в трещинах известняка.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2010-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://metallurgu.ru/ "Metallurgu.ru: Библиотека по металлургии"