1.6 Анізотропія кристалів

 

Фізичні властивості твердого тіла можна розділити на дві категорії: одна з них включає властивості, які не пов'язані з вибором напрямку усередині твердого тіла (густина, питома теплоємність) і властивості іншої категорії (механічні модулі, термічний коефіцієнт розширення, коефіцієнт тепло-провідності, питомий опір, показник заломлення й ін.), які можуть бути різними для різних напрямків у твердому тілі.

Ізотропністю називається незалежність фізичних властивостей тіла від напрямку всередині нього. Якщо такі фізичні властивості тіла, як модуль пружності, коефіцієнт теплопровідності, показник переломлення й т.п., однакові в усіх напрямках, то таке тіло буде ізотропним.

Якщо ж для різних напрямків усередині даного тіла ці властивості будуть різними, то говорять, що такому тілу властива анізотропія. Ізотропними є аморфні тіла, рідини й гази. Анізотропія є характерною рисою кристалів, але виявити її можна не у будь-яких кристалічних тіл, а тільки у монокристалів. Більшість кристалічних тіл навколо нас, наприклад метали, є полікристалічними, тобто вони складаються з дуже великого числа зрослих один з одним дрібних кристалічних зерен, по-різному орієнтованих. Кристалічним зерном називається область кристала, усередині якої зберігаються незмінними напрямки кристалографічних осей. Якщо в орієнтації цих дрібних кристаликів немає певного порядку, то полікристалічне тіло буде ізотропним. Причина анізотропії полягає в тому, що кристали мають строго впорядковану будову. З рисунка 1.21 видно, що щільність "заселення" площин атомами різна і відстані між суміжними січними площинами тим більші, чим щільніше "заселеність" їх атомами. На підставі викладеного можна зробити узагальнення, що фізичні властивості кристала (теплові, електричні, магнітні, оптичні) можуть бути різними по різних напрямках.

Кристал може бути ізотропним стосовно однієї властивості й анізотропним стосовно іншої. Наприклад, кристал повареної солі ізотропний щодо діелектричної проникності, коефіцієнта теплового розширення, показника заломлення, але анізотропний щодо механічних властивостей і стосовно швидкостей росту й розчинення  граней.

До частково впорядкованих тіл відносять анізотропні рідини рідкі кристали, колоїди, полімери.

Анізотропні рідини. В рідинно-кристалічному (мезоморфному) стані речовина має властивості рідини (текучість, здатність утворювати краплини і зливатися при дотику) і деякі властивості твердих кристалів (анізотропія оптичних, пружних, електричних і магнітних властивостей) Цей стан спостерігається в багатьох складних органічних речовинах, молекули яких мають видовжену, геометричну анізотропну форму.

За молекулярною впорядкованістю рідкі кристали поділяють на три класи: смектичні, нематичні і холестеричні.

У смектичних рідких кристалах (їхня назва походить від грецького слова «смегма» — мило) молекули розміщені шарами, товщина яких залежить від довжини молекул і від нахилу їх до смектичних площин (рис.1.22 б). Строгої періодичності (дальнього порядку) у розміщенні центрів мас молекул у шарах немає, але осі молекул орієнтовані паралельно деякому напряму.

Нематичні рідкі кристали не мають такої шаруватої структури, як смектичні. Їхні молекули безладно зсунуті в напрямі своїх довгих осей, але, як і у смектичних структур, молекули нематичних рідких кристалів зберігають орієнтаційний порядок (рис.1.22 а). Назва їх походить від грецького слова «нема» — нитка, оскільки вони містять мікроскопічні ниткоподібні структури.

Холестеричні рідкі кристали утворюють в основному сполуки холестерину та інших стероїдів (звідки і походить назва цього класу рідких кристалів), хоча сам холестерин не має рідинно-кристалічної фази. Холестерична структура на молекулярному рівні дуже схожа на нематичну, але вона додатково закручена вздовж осі, перпендикулярної до довгих молекулярних осей. Така особливість структури пов'язана з тим, що молекули холестеричних рідких кристалів не є дзеркально симетричними, вони містять, наприклад, один або кілька асиметрично розміщених атомів вуглецю. Внаслідок цього молекули не розміщуються строго паралельно, а набувають конфігурації спіралі з періодом P (рис.1.22  в).

 

 

Рідкі кристали, завдяки особливостям своїх фізичних властивостей, широко використовуються на практиці.

Колоїди. Колоїди належать до гетерогенних дисперсних (подрібнених) систем, оскільки вони складаються з суцільної неперервної фази - дисперсійного середовища і роздріблених частинок речовини того чи іншого розміру і форми, що містяться у цьому середовищі,— дисперсної фази.

Кількісною характеристикою дисперсності речовини є ступінь дисперсності (ступінь подрібненості) — величина, обернена до поперечних розмірів дисперсних частинок. Оскільки розміри колоїдних частинок становлять 10-7 - 10-9 м, то колоїдами називаються гетерогенні дисперсні системи з гранично високою дисперсністю.

Високомолекулярні сполуки (полімери). Високомолеку- лярними сполуками називають складні речовини з великою молекулярною масою (сотні, тисячі і мільйони кілограмів на моль), молекули яких побудовано з великої кількості елементарних комірок, що повторюються. Високо-молекулярними сполуками є каучук, штучні волокна, пластмаси, целюлоза, білки, крохмаль та ін.

Більшість полімерів не мають кристалічної структури (полістирол, полівінілацетат, каучуки тощо). Але є полімери кристалічної структури (полідіацетилен), а також високомолекулярні сполуки, які мають структуру з чергуванням кристалічної області та аморфних.