При слове «кристалл» у вас наверняка возникает образ драгоценного камня или минерала. На самом деле к кристаллам относится гораздо больше веществ. Например, лист стали — это кристалл, и мягкий и жирный на ощупь грифель карандаша, то есть графит. На первый взгляд между графитом, чугуном и сапфиром нет ничего общего — почему их тогда относят к кристаллам и при чем тут снежинки и викинги? Обо всем этом T&P рассказал Валерий Ройзен, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ.

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно взглянуть на расположение атомов внутри кристалла. Они упакованы в виде трехмерной структуры, которая называется кристаллической решеткой. Представьте себе кубик (хотя в общем случае это параллелепипед), в котором неким образом размещены атомы. Затем вы приклеиваете к граням этого кубика точно такие же, потом еще раз и так до бесконечности: таким образом вы получите идеальный кристалл, то есть кристалл без границ.

Валерий Ройзен

Валерий Ройзен

В реальности таких, конечно, не существует. Во-первых, очевидно, что любой материал имеет границы. Во-вторых, в процессе роста кристалла всегда возникают какие-то дефекты или попадаются примеси. Это приводит к небольшим искажениям решетки, что, в свою очередь, меняет свойства материала, например его взаимодействие со светом. Так, корунд, сапфир и рубин — это один и тот же минерал, оксид алюминия, а присутствие в них примесей приводит к разному цвету. Это очень важный момент: свойства кристалла определяются его кристаллической структурой. Будет ли он твердым или пластичным, проводником или изолятором, прозрачным или поглощающим свет, определяется расположением атомов внутри него. Приведу пять историй, иллюстрирующих это.

История первая: «Кеплер и снежинки»

В 1610 году Иоганн Кеплер пишет в качестве новогоднего подарка своему другу небольшой трактат «О шестиугольных снежинках». К слову, это тот самый Кеплер, который открыл законы движения планет Солнечной системы. Ученый задался вопросом, почему снежинки имеют форму шестиугольной звезды, справедливо заметив, что отсутствие пятиугольных или семиугольных снежинок вряд ли является случайностью. Он считал, что в основе мира лежат числа, а значит, форма снежинок связана не со свойствами вещества, а определена некими общими началами. Чтобы понять какими, Кеплер проанализировал известные ему регулярные пространственные структуры, встречающиеся в природе, — пчелиные соты, зерна граната и горошины в стручке. Результатом его рассуждений стала теорема — «гипотеза Кеплера».

Снежинка под микроскопом

Снежинка под микроскопом

Представьте себе, что нам нужно уложить шарики в картонную коробку максимально плотно. Как это сделать? Решение хорошо известно, им пользуются, когда раскладывают фрукты на рынках: нужно расположить шарики в форме пирамидки. Если взглянуть на такую упаковку математически, то каждый слой разбивается на шестиугольники, склеенные друг с другом. Вроде бы это объясняет, откуда у снежинок именно такое количество лучей. Но возникают и новые вопросы: почему в таком случае снежинки плоские? Какова природа этих крохотных шариков, из которых они состоят? Чтобы ответить на них, Кеплеру нужно было знание о том, что все вещества вокруг образованы из атомов. А для нас в этой истории важна взаимосвязь, которая существует между формой кристалла и его структурой на микромасштабе, ведь именно наличие кристаллической ячейки — причина правильной геометрической формы минералов.

История вторая: «Обработка железа»

Работа кузнеца — это сложный и во многом интуитивный процесс ковки, закалки, отпуска металла. Как кусок материала обретает изящную форму и нужные свойства? Металл меняет твердость, становится пластичнее и крепче. Это все та же кристаллография, только прикладная. По сути кузнец занимается путешествием по фазовой диаграмме железа. Ему нужно перевести материал из области, в которой у него одна кристаллическую структура, в область с другой, тем самым изменив его характеристики. Это делается, например, путем разогрева и охлаждения металла. Если двигаться по определенному маршруту на «карте железа», то можно сделать слоистый материал (другое название таких материалов — композитные) — знаменитую дамасскую сталь.

Сталь под микроскопом

Сталь под микроскопом

Можно сказать, что кузнецы были первыми кристаллографами. Разумеется, никто из них не думал ни о каких атомах и решетках, но зато у них был богатый экспериментальный опыт. А 3 тысячи лет истории железа демонстрируют важность взаимосвязи между механическими свойствами кристалла (твердость и т. д.) и его кристаллической структурой.

История третья: «Солнечный камень викингов»

Влияние расположения атомов на твердость материала представить себе достаточно просто. Если кому-то любопытно, то это можно проверить, собирая разные фигуры из шариков неокуба. Гораздо более удивительным кажется то, что кристаллическая структура влияет еще и на распространение света. Алмаз прозрачный как раз за счет этого.

«Солнечный камень»

«Солнечный камень»

Сомнительно, что викинги рассуждали на эту тему. Их интересовали более приземленные вещи: набеги, грабежи, убийства. При этом они были удивительными мореходами: открытие Исландии и Гренландии — их заслуга, а по некоторым сведениям, именно они стали первыми европейцами, побывавшими в Америке. Вот только есть один весьма важный нюанс: плавали викинги преимущественно в северных широтах, где облачная погода — обычное дело. Магнитный компас изобрели в Китае, и в Европе он на тот момент известен не был. Возникает вопрос: как викинги ориентировались в море? В сагах упоминается некий «солнечный камень», с помощью которого они могли определять положение солнца на небе даже в пасмурную погоду. Однако что это за материал, было непонятно. В 2013 году в обломках английского судна, затонувшего в Ла-Манше в XVI веке, нашли остатки навигационных инструментов. Среди них оказался кристалл исландского шпата. Это прозрачный камень, удваивающий изображение, причем одно из них будет поляризованным. Благодаря этому викинги могли отслеживать колебания яркости лучей на небе, то есть определять положение солнца и так ориентироваться в море.

История четвертая: «Лекарство-пустышка»

В 1996 году одна американская фармацевтическая компания выпустила препарат для терапии вируса иммунодефицита человека — «Ритонавир». Спустя два года всю партию лекарства пришлось отзывать с рынка, потому что оно не работало. Тысячи людей пострадали из-за того, что покупали пустышку. Как такое могло случиться? Чтобы препарат попал в аптеки, он должен пройти несколько этапов лабораторных и клинических испытаний, а затем государственную сертификацию. Кажется невероятным, что отсутствие терапевтического эффекта не было замечено.

Вскоре выяснилось, что причина была в условиях производства лекарства, которое выпускалось в виде таблеток. Чтобы понять, в чем же было дело, мы должны разобраться, как устроена таблетка.

Положим, мы нашли какое-то вещество, которое снимает воспалительный процесс в тканях. Теперь перед нами стоит вопрос: как доставить его в организм? Для этого мы можем упаковать его в виде молекулярных (т. е. состоящих из молекул) кристалликов, спрессовать порошок из них и таким образом получить таблетку. И вот этап выращивания кристаллов как раз самый важный. Дело в том, что молекулы могут обладать несколькими разными кристаллическими упаковками. Казалось бы, чего в этом важного? Но в результате меняются физико-химические свойства лекарства, в частности растворимость. А чтобы лекарственное вещество попало из таблетки в кровь, оно должно раствориться где-то в желудочно-кишечном тракте. Если кристалл будет плохо растворяться, то магии не случится и препарат не подействует. Как раз это и произошло с «Ритонавиром». При его производстве не выдерживался правильный температурный режим, в результате чего вся партия лекарства превращалась в пустышку.

История пятая: «Умные материалы»

К предыдущим четырем историям можно добавить еще массу примеров того, как кристаллическая структура влияет на свойства материала. Это вызывает закономерный вопрос: можем ли мы управлять ею? Можно ли научиться предсказывать материалы с заданными свойствами? Эту задачу в настоящий момент решают научные коллективы по всему миру. Один из наиболее надежных методов в данной области разработан моим научным руководителем Артемом Огановым. Подробнее об этом рассказывал мой коллега Олег Фея.

Не пропустите следующую лекцию: