결정, 비정질, 준결정의 개념

1. 결정체와 비정질

결정체는 소금, 흑설탕, 칼과 포크, 도자기 등 인간의 일상생활에서 언제든지 볼 수 있는 물질이다. 우리 부엌의 그릇, 겨울의 얼음과 눈, 땅의 흙과 암석, 공장의 많은 고체 화학 물질은 모두 결정으로 구성되어 있습니다. 우리 고대인의 결정에 대한 이해는 기하학적 다면체 모양의 투명한 결정(석영 SiO2, 그림 1-1a)에서 시작되었으며, 나중에 그림 1-1과 같이 자연적으로 생성된 기하학적 다면체 모양의 고체를 생성하는 방해석과 황철석을 모두 결정이라고 합니다. 분명히 이러한 이해는 포괄적이지 않습니다. 예를 들어, 석영은 자연에서 다면체 결정으로 생성되거나 암석에 있는 불규칙한 모양의 과립으로 생성될 수 있습니다. 이 두 가지 형태의 석영의 구성, 물리적 특성 및 내부 구조에는 차이가 없습니다. 그러므로 단지 정기하학적 다면체의 유무만으로 결정체인지 아닌지를 구별하는 것만으로는 결정체의 본질적인 성질을 반영할 수 없다.

이에도 불구하고 사람들은 좋은 성장 조건, 특히 공간적 조건만 있으면 모든 결정이 자발적으로 규칙적인 기하학적 다면체로 성장할 수 있다는 것을 실제로 점차 깨닫게 되었습니다. 이러한 현상은 내부 구조와 관련이 있는 것으로 추측되며, 결정체는 작은 조각들이 평행육면체 형태로 적층되어 격자 구조를 이루고 있는 것으로 추측된다. 1912년 독일의 물리학자 M.V. Laue는 암염의 결정 구조를 결정하기 위해 X선 회절 분석 기술을 사용했습니다. 이후 사람들은 많은 수의 결정에 대해 X선 회절 분석을 수행하여 모든 결정은 모양에 관계없이 내부 입자(원자, 이온 또는 분자)는 규칙적으로 배열됩니다. 이 법칙은 입자가 3차원 공간에서 주기적으로 병진 반복을 하여 소위 격자 구조를 형성한다는 점에서 나타납니다. 이러한 이해는 20세기 말 투과전자현미경을 통해 직관적으로 입증되었습니다. 다음은 결정 내부의 입자 배열을 설명하기 위해 암염(NaCl)의 결정 구조를 예로 들어 설명합니다.

그림 1-2는 암염의 내부 구조를 잘라내고 Cl- 이온과 Na+ 이온이 쌓여 형성된 작은 입방체를 보여준다. Cl- 이온과 Na+ 이온은 큐브의 가장자리 방향을 따라 0.5628nm 간격으로 교대로 배열되고, 그 이외의 방향에서는 큐브의 대각선 방향으로 0.3978nm 간격으로 연속적으로 배열됩니다. 이온의 간격은 다양하지만 모두 일정한 간격으로 반복되어 입방 격자 구조를 형성합니다. 암염이 특정 조건에서 규칙적인 입방체 모양으로 성장할 수 있는 이유는 암염 내부의 격자 구조에 의해 결정됩니다.

그림 1-1 기하학적 다면체 모양의 결정

그림 1-2 암염의 결정 구조

다른 결정의 경우 상황은 다음과 같습니다. 유사성: 모양이 규칙적이든 아니든 관계없이 내부 입자가 3차원 공간에서 주기적인 이동으로 규칙적이고 반복적으로 배열되어 격자형 구조를 형성하는 것이 모든 결정의 고유한 특성입니다. 유일한 차이점은 서로 다른 결정은 서로 다른 유형의 입자를 가지며 이에 따라 배열과 간격이 다르다는 것입니다.

위의 결정의 특성은 결정과 다른 상태의 물체 사이의 근본적인 차이를 반영합니다. 따라서 결정의 현대적 정의는 다음과 같습니다. 결정은 내부 입자가 3차원 공간에서 주기적인 병진 및 반복 배열로 배열되어 격자 구조를 형성하는 고체입니다. 이에 따라, 내부 입자가 3차원 공간에서 주기적인 병진 및 반복 배열로 배열되어 있는 고체 물질을 결정질 물질이라고 합니다. 기하학적 다면체 모양을 가진 결정을 구체적으로 지칭하기 위해 "크리스탈"이라는 이름을 사용하는 것이 관례적인 반면, 기하학적 다면체 모양이 없는 결정은 "그레인" 또는 "크리스탈 블록"이라고 합니다.

비정질 물질은 결정과 반대되는 개념이기도 하지만, 내부 입자가 3차원 공간에서 주기적인 병진 반복으로 배열되어 있지 않습니다. 비정질체와 결정의 구조적 차이는 그림 1-3에 표시된 결정과 유리의 입자의 평면 분포에서 볼 수 있습니다. 결정(그림 1-3a)에서는 하나의 입자(검은 점)가 둘러싸며 다른 입자의 배열 (작은 원)도 마찬가지입니다. 즉, 각 검은 점은 삼각형의 꼭지점에 분포된 세 개의 원으로 둘러싸여 있으며, 각 원은 두 개의 검은 점을 끝점으로 하는 직선의 중심에 위치합니다. 입자 점의 국지적 분포의 규칙성을 단거리 법칙 또는 단거리 질서라고 합니다. 뿐만 아니라 결정 내의 각 입자(검은 점 또는 원)는 전체 그림에서 규칙적인 주기적인 병진 반복을 나타냅니다. 주기적인 반복 점을 직선으로 연결하면 평행사변형 격자를 얻을 수 있습니다. 3차원 공간에서는 이 격자가 공간 격자를 형성할 것으로 예상됩니다. 결정 전체에 걸친 이러한 입자 배열 패턴을 장거리 질서(long range order)라고 합니다. 유리와 같은 비정질체(그림 1-3b)에서는 입자가 단거리 질서를 가질 수 있지만(각 검은 점은 세 개의 원으로 둘러싸여 있음) 액체의 구조와 유사한 장거리 질서가 없습니다. .

특정 조건에서는 결정체와 무정형체가 서로 변형될 수 있습니다. 예를 들어, 마그마의 급속한 응결로 형성된 비정질 화산유리는 이후 지질 시대에 내부 입자의 매우 느린 자발적 확산과 조정 과정을 통해 규칙적으로 배열되어 점차적으로 비정질 상태에서 결정질 변태로 변하는 경향이 있습니다. .

이 과정은 작고 이끼, 머리카락 또는 꽃잎과 같은 모양의 소위 결정자(그림 1-4)가 형성되는 것으로 시작하여 점차 자라서 결국 결정질 광물이 됩니다. 내부 입자의 배열을 조정하여 무정형체에서 결정체로 변하는 것을 실투 또는 결정화라고 합니다. 반대의 변화, 즉 내부 입자의 규칙적인 배열이 파괴되어 결정이 비정질체로 변형되는 것을 유리화 또는 비결정화라고 합니다. 예를 들어, 방사성 원소를 함유한 일부 광물은 방사성 변태 중에 방출되는 선의 작용으로 인해 결정 격자가 파괴되어 무정형의 "변성 광물"로 변하지만, 여전히 원래의 기하학적 다면체 모양을 유지할 수 있습니다.

그림 1-3 결정(a)과 유리(b)의 입자 평면 분포에 대한 도식적 다이어그램

(Pan Zhaolu et al., 1993에 따름)

그림 1-4 화산유리의 실투로 형성된 꽃잎 모양의 결정

(Lu Fengxiang et al., 2001에 따르면)

결정은 내부 입자의 규칙적인 배열에 의해 형성되며, 평형 위치에서는 내부 에너지가 가장 작으므로 동일한 물질의 다른 물리적 상태에 비해 가장 안정적입니다. 따라서 유리화의 발생은 확실히 관련이 있습니다. 에너지 투입과 재료 구성요소의 변화는 서로 관련되어 있지만 실투는 완전히 자발적으로 발생할 수 있습니다.

결정체는 가장 안정적이기 때문에 자연적으로 발생하는 미네랄 외에도 많은 식품, 생활용품, 화학제품 등이 결정체이다. 천연 결정은 모양과 크기가 다양하며, 큰 것의 무게는 수백 톤에 달하고 직경은 수십 미터에 달하며, 작은 것의 크기는 현미경을 통해서만 확인할 수 있습니다. 또는 전자현미경이나 X선 분석도 가능합니다. 이에 반해, 비정질체는 호박, 수지, 아스팔트, 화산유리, 알로판 등 자연적으로 생성되는 물질과 소수의 변성광물(예: 이트륨 니오븀 광석, 알라나이트 등)만 갖고 있으며, 그 종류도 소수에 불과하다. 비정질 재료의 불안정성과 밀접한 관련이 있는 유리, 플라스틱 등 비천연 물질입니다.

2. 준결정

1984년 Shechtman과 Cahn, 중국 학자 Ye Hengqiang과 Guo Xinxin 등이 각각 빠르게 고체화된 Al12Mn과 (Ti1.9V0) .1)2Ni 합금 각각은 단거리 정렬 및 입자 분포의 비정수적이고 주기적인 병진 반복을 갖는 새로운 응집 물질을 독립적으로 발견했습니다. 나중에 사람들은 많은 합금에서 유사한 특성을 가진 물질을 발견했습니다. 이 물질은 전통적인 결정학에서는 존재하지 않는 8, 10, 12 등과 같은 5배 또는 6배 이상의 회전 대칭성을 가지고 있습니다(그림 1-5). 이 특별한 고체를 준결정(quasicrystal)이라고 합니다. 처음에는 준결정이 구조적으로 비정질과 결정의 중간에 있는 고체의 일종인 줄 알았으나 그 구조적 형태는 결코 명확하지 않았다. 현재 사람들은 준결정을 입자 점의 배열이 근거리 질서를 따르고 엄격한 위치 질서와 자기유사 프랙탈 구조를 가지지만 주기적인 병진 반복을 반영하지 않는 일종의 고체라고 생각하는 경향이 있습니다. 격자구조가 아니다.

그림 1-5 5번째(a)와 10번째(b) 대칭축을 갖는 준결정 구조

(Peng Zhizhong에 따르면, 1988)