Что такое кристаллическая структура?

Многие твердые вещества и некоторые кристаллические жидкости имеют регулярное, повторяющееся трехмерное расположение атомов, известное как кристаллическая структура или кристаллическая решетка. Напротив, аморфное твердое вещество представляет собой тип твердого материала, такого как стекло, у которого отсутствует такая повторяющаяся структура с большим радиусом действия. Многие физические, оптические и электрические свойства кристаллических твердых веществ или жидкостей тесно связаны с кристаллической структурой. Повторяющиеся единицы кристаллической структуры, которые состоят из маленьких коробочек или других трехмерных форм, называются «ячейками». Многие из этих ячеек сгруппированы в повторяющуюся упорядоченную структуру, образуя общую структуру.

Кристаллическая структура данного кристаллического материала может влиять на многие общие свойства этого материала. Например, это один из основных определяющих факторов, влияющих на оптические свойства материала. Кристаллическая структура также существенно влияет на реакционную способность кристаллического материала, поскольку она определяет расположение реакционноспособных атомов на внешних краях и гранях кристаллического твердого вещества или жидкости. Другие важные свойства материала, в том числе электрические и магнитные свойства некоторых материалов, также в значительной степени определяются кристаллической структурой.

Минералоги, кристаллографы, химики и физики часто изучают кристаллические материалы в лабораторных условиях. Некоторые простые аспекты кристаллических структур могут быть определены с помощью простых геометрических измерений, но различные методы, основанные на дифракции рентгеновских лучей, нейтронов, электронов или других частиц, позволяют намного проще и точнее определять структуру. Некоторые исследователи заинтересованы только в определении структуры данного кристаллического материала, в то время как другие более заинтересованы в определении того, как эта структура связана с другими свойствами материала. Еще другие исследователи заинтересованы в поиске полезных применений для различных материалов на основе их структур, а некоторые даже пытаются синтезировать новые кристаллические твердые вещества и жидкости на основе ожидаемых свойств их желаемых структур.

Следует отметить, что, хотя теоретические кристаллические материалы состоят из совершенной и последовательной серии повторяющихся единиц, реальные кристаллы, как правило, имеют недостатки. Эти недостатки в большинстве случаев являются просто неровностями в остальном правильной кристаллической структуры. В некоторых случаях это происходит, когда один атом занимает другое место в данной кристаллической структуре, чем обычно. Различные свойства этого атома могут оказать существенное влияние на то, как структурные единицы кристалла располагаются вокруг него. Аналогичным образом, дефекты или неровности реальных кристаллов могут оказывать существенное влияние на общие свойства кристаллического материала.