Форма кристалів

Зовнішня форма кристалів, що ростуть, чутлива до умов зростання і часто за формою кристала можна судити про умови його утворення. Розрізняють рівноважні і реальні форми зростання кристалів.

Рівноважною формою зростання кристалівназивається поліедрична форма, що виникає в умовах, коли скрізь навколо кристала є надлишок живильного матеріалу, і він росте, реалізовуючи свою здатність до самоогранення.

Вперше умову рівноважної форми кристала сформулював у 1878 році У. Гіббс: кристал, перебуваючи в рівновазі із навколишнім його середовищем, прагне прийняти ту форму, яка при даному об'ємі і температурі характеризується мінімумом сумарної поверхневої енергії.

При утворенні кристала виникають різні грані: з великими і меншими значеннями поверхневої енергії. На рис.33 приведена схема зростання двовимірного кристала за різними напрямами: I – напрям зростання граней із максимальною, а II і III – із меншою поверхневою енергією. В процесі зростання кристала поверхня граней з більшою поверхневою енергією відносно зменшується. У результаті кристал ограновується площинами, що мають найменше поверхневе тяжіння, найменшу швидкість росту і найбільшу ретикулярну щільність часток.

Рис.33. Схема зростання двовимірного кристала

уздовж різних напрямів

Рівноважна форма кристала виходить лише в рівноважних умовах, тобто при нескінченно повільному процесі кристалізації.

У реальних умовах зростання форми кристалів можуть відрізнятися від рівноважних. Реальна форма кристала, що росте, відображає не тільки симетрію внутрішньої будови, але і зовнішні умови зростання: положення кристала під час зростання в полі тяжіння Землі; швидкість відведення тепла; однорідність середовища, в якому росте кристал; наявність сусідніх кристалів, що заважають зростанню даного кристала, і багато інших чинників.

В умовах переохолодження розплавів металів і сплавів часто спостерігається зростання гіллястих кристалів – дендритів, показаних на рис.34. Така форма обумовлена тим, що на фронті кристалів, що ростуть, виділяється теплота кристалізації, градієнт температури поблизу поверхні кристала зменшується, швидкість росту зменшується, і, якщо через які-небудь випадковості зростання в якомусь місці утворюється виступ, то він «прострілює» цей шар і швидше росте в переохолодженому розплаві, потім знову наступає зупинка через повільне відведення тепла, і відбувається новий "простріл" наступної гілки дендриту.

Рис.34. Дендрити

При зростанні кристалів із розчину пересичення його біля вершин сильніше, ніж у центрі граней. Тому на вершинах йде зародження нових шарів, вони опереджають центри граней кристалів. Так виникають скелетні форми кристалів. Один із скелетних кристалів шпінелі показаний на рис.35.

Рис.35. Скелетний кристал «шпінелі»