Теория:
1. Кристаллы и их свойства
Твёрдые тела сохраняют форму. Но кусок сахара или снежинка имеют правильные очертания, а другие тела, такие как пластилин или смола, — нет. Это зависит от внутреннего строения вещества.
Если атомы или молекулы вещества занимают определённое, упорядоченное положение в пространстве, образуя так называемую кристаллическую решётку, то перед нами кристалл. Именно строгий порядок заставляет кристаллы принимать форму правильных многогранников.
Пример:
Крупинка поваренной соли или снежинки — это и есть внешнее проявление внутреннего порядка.
Следствие упорядоченного строения — это анизотропия. Этот сложный термин означает, что физические свойства кристалла (прочность, теплопроводность, способность проводить ток) различны в разных направлениях.
Пример:
Слюда легко расщепляется на тонкие пластинки в одном направлении, но разорвать её поперёк гораздо труднее. Графит, из которого делают грифели карандашей, тоже имеет слоистую структуру: связи между слоями слабые, поэтому они легко скользят и остаются на бумаге.
2. Монокристаллы и поликристаллы
Одиночный кристалл, например драгоценный камень или крупный кристалл кварца, называется монокристаллом. Однако в природе и технике мы чаще сталкиваемся с поликристаллами — телами, состоящими из огромного множества маленьких, сросшихся друг с другом кристалликов. Большинство металлов — яркий пример поликристаллов. Эти кристаллики ориентированы хаотично, поэтому свойства всего куска металла оказываются одинаковыми по всем направлениям. Такую независимость свойств от направления называют изотропией.3. Аморфные тела
Однако не все твёрдые тела являются кристаллами. Существует обширный класс аморфных тел (от греч. «аморфос» — бесформенный). К ним относятся стекло, смола, янтарь, канифоль. В них, в отличие от кристаллов, нет строгого порядка в расположении атомов — он существует лишь на очень малых расстояниях, как у жидкостей. Поэтому аморфные тела можно рассматривать как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью.
Свойства аморфных тел:
1. Они изотропны.
2. Нет определённой температуры плавления. При нагревании они не плавятся резко, как лёд или металл, а постепенно размягчаются, становясь всё более текучими. Именно это свойство позволяет стеклодувам создавать из стекла удивительные по форме изделия. Если же воздействовать на аморфное тело резко (например, ударить), оно может расколоться, как твёрдое тело, а при очень длительном воздействии способно течь. Например, в старинных оконных стёклах низ заметно толще верха, потому что стекло веками медленно стекало вниз под действием силы тяжести.
1. Они изотропны.
2. Нет определённой температуры плавления. При нагревании они не плавятся резко, как лёд или металл, а постепенно размягчаются, становясь всё более текучими. Именно это свойство позволяет стеклодувам создавать из стекла удивительные по форме изделия. Если же воздействовать на аморфное тело резко (например, ударить), оно может расколоться, как твёрдое тело, а при очень длительном воздействии способно течь. Например, в старинных оконных стёклах низ заметно толще верха, потому что стекло веками медленно стекало вниз под действием силы тяжести.
4. Жидкие кристаллы
Долгое время учёные чётко делили вещества на жидкости и твёрдые кристаллы. Но оказалось, что природа любит создавать исключения. Существуют вещества, чаще всего органические, с длинными молекулами, которые занимают промежуточное положение. Это жидкие кристаллы.Представь себе коробку, в которой хаотично лежат карандаши. Это жидкость. А теперь представь, что все карандаши повёрнуты в одну сторону, но их центры тяжести разбросаны как попало. Это и есть жидкий кристалл. Такая структура обеспечивает им сразу два свойства: текучесть, как у жидкостей, и анизотропию (зависимость свойств от направления), как у твёрдых кристаллов. Самое удивительное, что ориентацией молекул можно легко управлять с помощью электрического поля. Именно это свойство произвело революцию в технике и позволило создать плоские экраны телевизоров, мониторов и дисплеев телефонов, которые мы используем каждый день.
5. Современные материалы
Сегодня, понимая законы строения вещества, учёные и инженеры не просто изучают природу, а создают материалы с заранее заданными свойствами. Физика твёрдого тела стала основой для настоящего технологического прорыва.
Полимеры. Это огромные молекулы, собранные, как конструктор, из повторяющихся звеньев. Изменяя состав этих звеньев, можно получать материалы с невероятным разнообразием свойств — от мягких и эластичных (резина, пакеты) до сверхпрочных и твёрдых (пластик для кузовов автомобилей, бронежилеты).
Композиты. Это материалы, состоящие из двух или более компонентов с чёткой границей между ними. Природа — лучший создатель композитов: дерево, кости. Современные инженеры пошли дальше. Стеклопластик (стекловолокно \(+\) смола) и углепластик (углеродное волокно \(+\) смола) сегодня используются везде: от деталей самолётов и космических ракет до спортивных велосипедов и клюшек для гольфа. Эти материалы сочетают лёгкость с огромной прочностью.
Графен. В \(2004\) году был получен уникальный материал — графен. Это двумерный кристалл, состоящий из одного-единственного слоя атомов углерода. Он в сотни раз прочнее стали, превосходно проводит ток и тепло, при этом абсолютно прозрачен. Графен считается материалом будущего, который найдёт применение в микроэлектронике, медицине и создании сверхлёгких конструкций.