Зародження кристалів

Кристали можуть рости з пари, розчинів, розплавів із аморфного стану або ж шляхом перекристалізації з іншої кристалічної фази.

Кожен фазовий стан речовини характеризується певним значенням вільної енергії, залежної від температури. Згідно із законами термодинаміки, за даних зовнішніх умов стійким є той фазовий стан, який володіє найменшою вільною енергією. Тому при температурі Т_пл стійкий рідкий стан, нижче Т_пл – твердий, при температурі Т_пл – стійкі обидві фази.

Перехід із неврегульованого стану в кристалічний – фазовий перехід I роду, що відбувається при певній температурі. При кристалізації розрізняють два процеси:

- утворення центрів кристалізації;

- подальше зростання кристалів.

Перший процес характеризується швидкістю утворення зародків, тобто кількістю здатних до подальшого зростання зародків в одиниці об'єму за одиницю часу. Другий – лінійною швидкістю росту кристала.

Умовою виникнення зародка кристалічної фази, здатного до подальшого зростання, є переохолодження розплаву, пересичення пари або розчину.

При охолоджуванні розплаву сповільнюється поступальна і коливальна хода складових його частинок. У розплаві з'являються окремі ділянки угрупування із розташуванням частини координації та складу, характерного для кристалічного стану, і близьким значенням міжатомної відстані. Ці ділянки випадково виникають у розплаві, переміщаються, обмінюються частинками з навколишнім середовищем, змінюючи форму і розміри, або ж руйнуються тепловим рухом. Чим нижча температура розплаву, тим більша вірогідність утворення таких ділянок – зародків кристалізації.

На практиці частіше зустрічається гетерогенна кристалізація – утворення зародків на готових поверхнях: стінках судини, зважених частинках другої фази, порошинках, чужорідних предметах, а також спеціально введених у розплав або розчин кристалах – затравках. При промисловому отриманні кристалів зазвичай використовують приманки з вирощуваної речовини з певною кристалографічною орієнтацією.

Гетерогенне зародження є більш загальним випадком фазового переходу, оскільки практично неможливо виключити вплив поверхонь розділу.

Утворення зародків кристалізації буде переважно гетерогенним у тому випадку, коли сили зчеплення між частинками фази і підкладки будуть більші, ніж міжатомна взаємодія усередині фази.

Процеси утворення зародків у твердих тілах, наприклад, при виділенні нової фази з пересиченого твердого розчину, появи рекристалізованих зерен у нагрітих деформованих металах і сплавах або при поліморфних перетвореннях відбуваються складніше, ніж у рідинах і газах, що обумовлене значно меншою дифузійною рухливістю частинок твердого тіла.

У зв'язку із тим, що в твердих тілах завжди присутні дефекти кристалічної будови, що є мовби внутрішньою поверхнею розділу, то саме на них відбувається утворення зародків нової фази, а гомогенне зародження практично не має місця.