As aplicações dos cristais na ciência e na tecnologia são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitamos a alguns exemplos.

O mais duro e raro dos minerais naturais é o diamante.

Devido à sua dureza excepcional, o diamante desempenha um papel enorme na tecnologia. Serras de diamante cortam pedras. O diamante é de tremenda importância na perfuração de rochas e nas operações de mineração.

Ferramentas de gravação, máquinas divisoras, durômetros, brocas para pedra e metal têm pontas diamantadas inseridas.

O pó de diamante é usado para moer e polir pedras duras, aço endurecido, ligas duras e superduras. O próprio diamante pode ser cortado, polido e gravado apenas com um diamante. As peças de motor mais críticas nas indústrias automotiva e de aviação são processadas com cortadores e brocas diamantadas.

Rubi e safira estão entre as pedras preciosas mais bonitas e caras. Todas essas pedras têm outras qualidades, mais modestas, mas úteis.

Toda a indústria relojoeira trabalha com rubis artificiais. Nas fábricas de semicondutores, os circuitos mais finos são desenhados com agulhas de rubi. Nas indústrias têxtil e química, as guias de fio de rubi desenham fios de fibras artificiais, de kapron, de nylon.

A nova vida do rubi é um laser ou, como é chamado na ciência, um gerador quântico óptico (OQG). Em 1960 O primeiro laser de rubi foi criado. Descobriu-se que um cristal de rubi amplifica a luz. Para um laser de rubi, o menor diâmetro do ponto de luz é de aproximadamente 0,7 mícron. Desta forma, uma densidade de radiação extremamente alta pode ser gerada. Ou seja, concentrar a energia o máximo possível. Poderoso feixe de laser com enorme potência. Queima facilmente chapas de metal, solda fios de metal, queima tubos de metal, faz os furos mais finos em ligas duras, diamante. Essas funções são executadas por um laser sólido, que utiliza rubi, granada com neodita. Na cirurgia ocular, os lasers de neodino e os lasers de rubi são mais usados. Os sistemas terrestres de campo próximo geralmente usam lasers de injeção de arsenieto de gálio. Novos cristais de laser também apareceram: fluorita, granadas, arseneto de gálio, etc.

A safira é transparente, então placas para instrumentos ópticos são feitas dela.

A maior parte dos cristais de safira vai para a indústria de semicondutores.

Flint, ametista, jaspe, opala, calcedônia são todas variedades de quartzo. Portanto, lentes, prismas e outras partes de instrumentos ópticos são feitos de quartzo transparente. O vidro de quartzo tem as seguintes qualidades:

Alta uniformidade e boa transmissão nas faixas ultravioleta, visível e infravermelho próximo;

Sem fluorescência;

Baixo coeficiente de dilatação térmica;

Alta resistência a danos mecânicos e choque térmico;

Baixa formação de bolhas.

As propriedades elétricas do quartzo são especialmente surpreendentes. Se você comprimir ou esticar um cristal de quartzo, cargas elétricas aparecerão em suas faces. Este é o efeito piezoelétrico em cristais.

Hoje, não apenas o quartzo, mas também muitas outras substâncias, principalmente sintetizadas artificialmente, são usadas como piezoelétricos: sal azul, titanato de bário, dihidrogenofosfatos de potássio e amônio (KDR e ADR) e muitos outros.

Os cristais piezoelétricos são amplamente utilizados para reprodução, gravação e transmissão de som.

Existem também métodos piezoelétricos para medir a pressão sanguínea nos vasos sanguíneos humanos e a pressão dos sucos nos caules e troncos das plantas. Placas piezoelétricas medem, por exemplo, a pressão no cano de uma arma de artilharia quando disparada, a pressão de uma explosão de bomba, a pressão instantânea nos cilindros do motor quando os gases quentes explodem neles.

Na tecnologia, o material policristalino Polaroid também encontrou sua aplicação.

Uma polaroide é um filme fino e transparente completamente preenchido com minúsculos cristais transparentes semelhantes a agulhas de uma substância que birrefringe e polariza a luz. Todos os cristais são paralelos entre si, de modo que todos polarizam igualmente a luz que passa pelo filme.

Filmes Polaroid são usados ​​em vidros polaroid. Polaroids bloqueiam o brilho da luz refletida enquanto permitem que todas as outras luzes passem. Eles são indispensáveis ​​para os exploradores polares, que constantemente precisam olhar para o reflexo deslumbrante dos raios do sol no campo de neve gelado.

cristais líquidos

Os cristais líquidos são substâncias que possuem simultaneamente as propriedades dos líquidos (fluidez) e dos cristais (anisotropia). De acordo com a estrutura, os CLs são líquidos semelhantes à geleia, constituídos por moléculas alongadas, ordenadas de certa forma ao longo de todo o volume desse líquido. A propriedade mais característica dos LCs é sua capacidade de alterar a orientação das moléculas sob a influência de campos elétricos, o que abre amplas oportunidades para sua aplicação na indústria. De acordo com o tipo de CL, geralmente são divididos em dois grandes grupos: nemáticos e esméticos. Por sua vez, os nemáticos são subdivididos em cristais líquidos nemáticos próprios e colestéricos.

Um dos usos importantes dos cristais líquidos é a termografia. Ao selecionar a composição de uma substância de cristal líquido, são criados indicadores para diferentes faixas de temperatura e para vários projetos. Por exemplo, cristais líquidos na forma de um filme são aplicados a transistores, circuitos integrados e placas de circuito impresso de circuitos eletrônicos. Elementos defeituosos - muito quentes ou frios, não funcionando - são imediatamente perceptíveis por manchas de cores brilhantes. Os médicos receberam novas oportunidades: um indicador de cristal líquido na pele do paciente diagnostica rapidamente uma inflamação latente e até um tumor.

Com a ajuda de cristais líquidos, são detectados vapores de compostos químicos nocivos e radiação gama e ultravioleta perigosas para a saúde humana. Com base em cristais líquidos, foram criados medidores de pressão e detectores de ultrassom. Mas o campo de aplicação mais promissor das substâncias de cristal líquido é a tecnologia da informação. Levou apenas alguns anos desde os primeiros indicadores, familiares a todos, desde relógios eletrônicos, até televisores coloridos com tela de cristal líquido do tamanho de um cartão postal. Essas TVs fornecem uma imagem de altíssima qualidade, consumindo menos energia.

O funcionamento de qualquer painel LCD é baseado no princípio de alterar a transparência (mais precisamente, alterar a polarização da luz transmitida) em cristais líquidos sob a influência de uma corrente elétrica. Na matriz TFT, a camada de cristal líquido é controlada por uma matriz de interruptores analógicos de transistores microscópicos, um para cada pixel da imagem, o que possibilita alcançar uma alta velocidade de liga-desliga dos pontos e aumentar o contraste da imagem . Como os próprios cristais líquidos não têm cor, o painel de cores possui três camadas de cristais líquidos (ou uma estrutura especial de mosaico de camada única) com filtros de cor correspondentes para cada componente de cor (vermelho, verde, azul). Os cristais líquidos não podem brilhar sozinhos, portanto, para dar à tela uma aparência luminosa familiar, uma lâmpada plana especial é instalada atrás do painel LCD, que ilumina a tela pela parte de trás. Como resultado, parece ao usuário que a matriz "brilha" como uma tela CRT normal.

Tipos de ataque: seco (plasma) e líquido (em condicionadores líquidos, ácido HF). Vantagens gravação a seco: a capacidade de controlar a anisotropia, a capacidade de controlar a seletividade, a fraca dependência da gravação na adesão da máscara protetora ao substrato, não requer operações subsequentes de lavagem e secagem, mais econômica do que a gravação em reagentes líquidos. Imperfeições: danos à superfície dos materiais sob a ação do bombardeio por íons, elétrons e fótons. O ataque a seco é dividido em:

As principais características da gravura a seco: anisotropiaé a razão entre a taxa de decapagem do material de trabalho ao longo da normal à superfície da placa e a taxa de sua decapagem lateral; seletividadeé a razão das taxas de gravação de diferentes materiais (por exemplo, o trabalhador e a máscara) sob as mesmas condições.

gravação de íons- um processo no qual as camadas superficiais de materiais são removidas apenas como resultado de pulverização física. A pulverização é realizada por íons de energia de gases que não entram em reações químicas com o material que está sendo processado (geralmente íons de gases inertes). Se o material que está sendo processado é colocado em eletrodos ou suportes em contato com o plasma de descarga, então o ataque sob tais condições é chamado plasma iônico. Se o material for colocado em uma zona de processamento a vácuo, separada da região do plasma, então o ataque é chamado de ataque por feixe de íons.

NO plasma-químico Na corrosão, as camadas superficiais dos materiais são removidas apenas como resultado de reações químicas entre partículas quimicamente ativas e átomos da substância atacada. Se o material que está sendo processado estiver na região do plasma de descarga, então o ataque é chamado plasma. Neste caso, as reações de ataque químico na superfície do material serão ativadas pelo bombardeio de elétrons e íons de baixa energia, e também pelo bombardeio de fótons. Se o material estiver localizado em uma zona de processamento a vácuo, geralmente chamada de zona de reação e separada da região de plasma, o ataque é realizado com partículas quimicamente ativas sem ativação por bombardeio de elétrons e íons e, em alguns casos, mesmo na ausência de fótons. exposição. Tal gravura é chamada radical.

O plasma é utilizado nos três principais processos: para ataque de materiais, para deposição de filmes finos (outros materiais) na superfície de materiais, para dopagem (implantação) de outras partículas no interior do material.

Aplicação moderna de tecnologias de plasma. O principal processo em tecnologia de fotolitografia (gravação de metal, incineração de plasma (cinza), remoção de espuma de plasma (remoção de resistência))! Também usado em tecnologias de fabricação: NEMS, MEMS, microeletrônica, nanoeletrônica, giroscópios, acelerômetros, gravação de polímeros, microestruturas de polímeros, microestruturas cerâmicas, tecnologias de gravação profunda (com uma alta proporção de aspecto: a proporção entre o tamanho do elemento de característica e a profundidade de gravação).

Desde os tempos antigos, a humanidade usa cristais. Inicialmente, estes eram cristais naturais que eram usados ​​como ferramenta e meio de cura e meditação. Mais tarde, pedras raras e metais preciosos começaram a funcionar como dinheiro. Pesquisas científicas fundamentais e descobertas do século 20 permitiram desenvolver métodos para obter cristais artificiais e expandir significativamente suas áreas de aplicação.

Um único cristal é um cristal homogêneo que possui uma rede cristalina contínua e anisotropia de propriedades. A forma externa de um único cristal depende da estrutura atômico-cristalina e das condições de cristalização. Exemplos de cristais únicos são cristais únicos de quartzo, sal-gema, spar islandês, diamante, topázio.

Se a taxa de crescimento do cristal for alta, policristais serão formados com um grande número de cristais únicos. Os cristais únicos de substâncias de alta pureza têm as mesmas propriedades, independentemente do método de preparação.

Até o momento, existem cerca de 150 métodos para obtenção de monocristais: fase vapor, fase líquida (soluções e fundidos) e fase sólida.

No Departamento de Materiais de Alta Temperatura e Metalurgia do Pó, eu uso o método mais recente para cultivar monocristais de hexaboreto de lantânio e várias ligas eutéticas baseadas nele. Os cristais únicos desses compostos são usados ​​para fazer cátodos usados ​​na tecnologia de emissão.

Com o desenvolvimento da engenharia elétrica e eletrônica, o uso de monocristais está aumentando ano a ano. Peças feitas de materiais monocristais de alta pureza podem ser vistas em todos os novos modelos de dispositivos eletrônicos, de rádios a grandes máquinas de calcular eletrônicas.

A técnica carece de um conjunto de propriedades dos cristais naturais, por isso os cientistas desenvolveram um método tecnológico complexo para criar semelhante a cristal substâncias com uma propriedade intermediária, por meio do crescimento de camadas ultrafinas (algumas a dezenas de nanômetros) de cristais alternados com redes cristalinas semelhantes - o método da epitaxia. Esses cristais são chamados de cristais fotônicos.

Nos cristais fotônicos existem bandas de energia proibidas - esses são os valores de energia dos fótons que não podem penetrar no cristal e se dissolver nele. Se a energia de um quantum de luz tiver um valor aceitável, ele passará com sucesso pelo cristal. Ou seja, os cristais fotônicos podem desempenhar o papel de um filtro de luz que passa fótons com determinados valores de energia e filtra todos os outros.

Os cristais fotônicos têm 3 grupos, que são determinados pelo número de eixos espaciais nos quais o índice de refração muda. De acordo com este critério, os cristais são divididos em unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.

Um representante bem conhecido dos cristais fotônicos é a opala, que possui um padrão de cores incrível, que aparece justamente pela existência de bandas de energia proibidas.

Os monocristais de safiras artificiais são apenas ligeiramente inferiores à dureza do diamante e possuem alta resistência a arranhões, o que permite que sejam usados ​​como telas de proteção em dispositivos eletrônicos (tablets, smartphones, etc.). O uso do método de Czochralski permite obter enormes cristais únicos de safiras artificiais.

Hoje em dia, os cientistas estão cada vez mais falando sobre nanocristais. Os nanocristais podem ter um tamanho de 1 a 10 nm, o que depende do tipo de nanocristais, bem como do seu método de preparação. Eles são tipicamente 100 nm para cerâmica e metais, 50 nm para diamante e grafite e 10 nm para semicondutores. O tamanho dos nanocristais afeta a aparência de propriedades incomuns em substâncias familiares.

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Na natureza, cristais únicos da maioria das substâncias sem rachaduras, impurezas e outros defeitos são extremamente raros. Isso levou ao fato de que muitos cristais foram chamados de pedras preciosas por milhares de anos. Diamante, rubi, safira, ametista e outras pedras preciosas têm sido muito valorizadas pelas pessoas, principalmente não por propriedades mecânicas especiais ou outras propriedades físicas, mas apenas por causa de sua raridade.

O desenvolvimento da ciência e da tecnologia levou ao fato de que muitas gemas ou cristais raramente encontrados na natureza tornaram-se muito necessários para a fabricação de peças para dispositivos e máquinas, para pesquisas científicas. A necessidade de muitos cristais cresceu tanto que era impossível satisfazê-la expandindo a escala de trabalhar os antigos e buscar novos depósitos naturais.

Além disso, para muitos ramos da tecnologia, e especialmente para a pesquisa científica, são cada vez mais necessários monocristais de altíssima pureza química com uma estrutura cristalina perfeita. Os cristais encontrados na natureza não atendem a esses requisitos, pois crescem em condições muito distantes do ideal.

Assim, surgiu o problema de desenvolver uma tecnologia para a produção artificial de monocristais de muitos elementos e compostos químicos.

O desenvolvimento de um método relativamente simples de fazer uma "pedra preciosa" leva ao fato de que ela deixa de ser preciosa. Isso se explica pelo fato de que a maioria das gemas são cristais de elementos químicos e compostos amplamente distribuídos na natureza. Assim, o diamante é um cristal de carbono, o rubi e a safira são cristais de óxido de alumínio com várias impurezas.

Vamos considerar os principais métodos de crescimento de monocristais. À primeira vista, pode parecer que a cristalização de um fundido é muito simples. Basta aquecer a substância acima do ponto de fusão, obter uma fusão e depois resfriá-la. Em princípio, este é o caminho certo, mas se medidas especiais não forem tomadas, na melhor das hipóteses, uma amostra policristalina será obtida. E se o experimento for realizado, por exemplo, com quartzo, enxofre, selênio, açúcar, que, dependendo da taxa de resfriamento de seus derretimentos, podem solidificar em um estado cristalino ou amorfo, não há garantia de que um corpo amorfo não será obtido.

Para crescer um único cristal, o resfriamento lento não é suficiente. É necessário primeiro resfriar uma pequena seção do fundido e obter um “núcleo” do cristal nele, e então, resfriando sucessivamente o fundido ao redor do “núcleo”, permitir que o cristal cresça ao longo de todo o volume do fundido. . Este processo pode ser alcançado baixando lentamente o cadinho com o fundido através do orifício no forno tubular vertical. O cristal se origina no fundo do cadinho, pois cai na região de temperaturas mais baixas mais cedo, e então cresce gradativamente ao longo de todo o volume do fundido. O fundo do cadinho é especialmente estreito, apontado para um cone, de modo que apenas um núcleo cristalino pode ser localizado nele.

Este método é frequentemente usado para crescer cristais de zinco, prata, alumínio, cobre e outros metais, bem como cloreto de sódio, brometo de potássio, fluoreto de lítio e outros sais usados ​​na indústria óptica. Por um dia, você pode cultivar um cristal de sal-gema pesando cerca de um quilo.

A desvantagem do método descrito é a contaminação dos cristais com o material do cadinho.

O método sem cadinho de crescimento de cristais a partir de um derretimento, que é usado para cultivar, por exemplo, corindo (rubis, safiras), é privado dessa desvantagem. O pó mais fino de óxido de alumínio de grãos de 2 a 100 mícrons é derramado em um fluxo fino do bunker, passa por uma chama de oxigênio-hidrogênio, derrete e, na forma de gotas, cai em uma haste de material refratário. A temperatura da haste é mantida ligeiramente abaixo do ponto de fusão da alumina (2030°C). Gotas de óxido de alumínio são resfriadas sobre ele e formam uma crosta de massa sinterizada de corindo. Relógio lento (10-20mm/h ) abaixa a haste, e um cristal de corindo não cortado cresce gradualmente sobre ela.

Como na natureza, a obtenção de cristais de uma solução se resume a dois métodos. A primeira delas consiste na evaporação lenta do solvente da solução saturada, e a segunda na diminuição lenta da temperatura da solução. O segundo método é mais comumente usado. Água, álcoois, ácidos, sais fundidos e metais são usados ​​como solventes. Uma desvantagem dos métodos para o crescimento de cristais a partir de uma solução é a possibilidade de contaminação dos cristais com partículas de solvente.

O cristal cresce a partir das áreas da solução supersaturada que o cercam diretamente. Como resultado, a solução é menos supersaturada perto do cristal do que longe dele. Como uma solução supersaturada é mais pesada que uma solução saturada, sempre há um fluxo ascendente da solução “usada” acima da superfície de um cristal em crescimento. Sem essa agitação da solução, o crescimento do cristal cessaria rapidamente. Portanto, a solução é frequentemente misturada adicionalmente ou o cristal é fixado em um suporte giratório. Isso permite que você cresça cristais mais perfeitos.

Quanto mais lenta a taxa de crescimento, melhores os cristais. Esta regra é verdadeira para todos os métodos de cultivo. Cristais de açúcar e sal de mesa são fáceis de obter a partir de uma solução aquosa em casa. Mas, infelizmente, nem todos os cristais podem ser cultivados com tanta facilidade. Por exemplo, a obtenção de cristais de quartzo a partir de uma solução ocorre a uma temperatura de 400 ° C e uma pressão de 1000 atm. .

As aplicações dos cristais na ciência e na tecnologia são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitamos a alguns exemplos.

O mais duro e raro dos minerais naturais é o diamante. Em toda a história da humanidade, apenas cerca de 150 toneladas foram extraídas, embora quase um milhão de pessoas estejam agora empregadas na indústria global de mineração de diamantes. Hoje, um diamante é principalmente um pedreiro, não uma decoração de pedra. Cerca de 80% de todos os diamantes naturais extraídos e todos os diamantes artificiais são usados ​​na indústria. O papel dos diamantes na tecnologia moderna é tão grande que, segundo cálculos de economistas americanos, a cessação do uso de diamantes reduziria pela metade o poder da indústria norte-americana.

Aproximadamente 80% dos diamantes usados ​​em tecnologia são usados ​​para afiar ferramentas e fresas de "ligas superduras". Os diamantes servem como pedras de referência (rolamentos) em cronômetros de primeira classe para embarcações marítimas e em outros instrumentos de navegação de alta precisão. Os rolamentos diamantados não apresentam sinais de desgaste mesmo após 25.000.000 de revoluções.

Um pouco inferior ao diamante em dureza, o rubi compete com ele em uma variedade de aplicações técnicas - corindo nobre, óxido de alumínio Al 2 O 3 com uma mistura corante de óxido de cromo. Cerca de 40.000 pedras de referência para relógios podem ser feitas de 1 kg de rubi sintético. As hastes de rubi tornaram-se indispensáveis ​​nas fábricas para a fabricação de tecidos a partir de fibras químicas. São necessários centenas de milhares de metros de fibra para produzir 1 m de tecido de fibra artificial. As guias de fio feitas do vidro mais duro se desgastam em poucos dias quando uma fibra artificial é passada por elas, as guias de fio de ágata podem funcionar até dois meses, as guias de fio rubi acabam sendo quase eternas.

Uma nova área para o uso generalizado de rubis em pesquisa científica e tecnologia se abriu com a invenção do laser de rubi, um dispositivo no qual uma haste de rubi serve como uma poderosa fonte de luz emitida na forma de uma luz fina feixe.

Um papel excepcional coube aos cristais na eletrônica moderna. A maioria dos dispositivos eletrônicos semicondutores são feitos de cristais de germânio ou silício.

Cristais e materiais cristalinos encontram aplicações em muitos dos instrumentos e dispositivos que encontramos todos os dias. Os cristais são usados: Em computadores e telefones celulares, equipamentos de áudio e vídeo. Muitos dispositivos modernos e complexos para processar, transmitir e armazenar informações não podem funcionar sem cristais. Os cristais são usados ​​para transformar um tipo de energia em outro. Os cristais são necessários para criar fontes de luz coerentes e controlar a radiação do laser. Desde os tempos antigos, o esplendor dos cristais tem inspirou pessoas a criar belas joias e itens decorativos. . Os cristais são essenciais para o tratamento de superfície. A necessidade de cristais no mundo é muito alta, dezenas de milhares de toneladas de vários cristais são cultivadas anualmente, e especialistas em crescimento e pesquisa de cristais são constantemente procurados tanto em nosso país quanto no exterior. O trabalho na criação de tecnologias para materiais cristalinos está incluído na Lista de Diretrizes Prioritárias para o Desenvolvimento da Ciência, Tecnologia e Engenharia da Federação Russa, aprovada pelo Presidente da Federação Russa.

Usando diamantes É assim que os cortadores de diamante se parecem para o processamento de lentes de contato. Na indústria, muitas vezes são usadas ferramentas revestidas com pó de diamante. A força do diamante o torna o material mais indicado para a fabricação de fios finos, em especial os filamentos de lâmpadas elétricas.

Embora quase todas as pedras preciosas risquem o vidro, apenas um diamante pode cortar com sucesso uma tira de vidro.Cortador de vidro de diamante As duas bordas de um cristal se encontram em um ângulo agudo. Esses requisitos são melhor atendidos por duas arestas do dodecaedro rômbico. .

Laser Laser (inglês) é a amplificação da luz como resultado da emissão estimulada. A base do laser é uma haste de rubi. Suas extremidades são estritamente paralelas entre si. Opera em modo pulsado em um comprimento de onda de 694 mm (luz cereja escura), a potência de radiação pode chegar a 106–109 W por pulso.

O papel mais importante na obtenção de um feixe de laser é desempenhado por um cristal de rubi (Al2O3) com a adição de cromo. O diagrama mostra: 1. Ambiente de trabalho2. Energia da bomba do laser3. Espelho opaco 4. espelho translúcido 5. Laser Beam Lasers são amplamente utilizados na indústria para diversos tipos de processamento de materiais: Furos para soldagem de produtos finos. A principal área de aplicação de lasers pulsados ​​de baixa potência com microeletrônica: Na indústria de eletrovácuo Engenharia mecânica Medicina.

Um laser pequeno, mas que pode queimar vários tipos de materiais e a uma distância bastante grande. Como fonte de energia, são usadas 8 baterias bastante grandes. Eles são suficientes para 100 tiros. Potência de fluxo de saída - 3 J/s.

Relógios de quartzo - relógios nos quais um cristal de quartzo é usado como sistema oscilatório. A alta dureza dos rubis, ou corindo, levou ao seu uso generalizado na indústria. Cerca de 40.000 pedras de referência de relógios são obtidas a partir de 1 kg de rubi sintético. As guias de filamentos de hastes de rubi tornaram-se indispensáveis ​​nas fábricas para a fabricação de fibras químicas. Praticamente não se desgastam. Guias de fio feitas de vidro mais duro, quando fibras artificiais são puxadas por elas, se desgastam em poucos dias.

Cristais líquidos Cristais líquidos. Estas são substâncias incomuns que combinam as propriedades de um sólido e líquido cristalino. Como os líquidos, eles são fluidos, como os cristais, eles têm uma anisotropia. .

A estrutura das moléculas de cristal líquido é tal que as extremidades das moléculas interagem muito fracamente umas com as outras, enquanto as superfícies laterais interagem muito fortemente e podem manter firmemente as moléculas em um único conjunto. Cristais líquidos: esmético (esquerda) e colestérico (direita) Os cristais líquidos foram descobertos já em 1888. Mas eles encontraram aplicação prática apenas trinta anos atrás. "Líquido-cristalino" refere-se ao estado de transição de uma substância, em que adquire fluidez, mas não perde sua estrutura cristalina.

De maior interesse para a tecnologia são os cristais líquidos colestéricos. Neles, a direção dos eixos das moléculas em cada camada é ligeiramente diferente uma da outra. Os ângulos de rotação dos eixos dependem da temperatura e a cor do cristal depende do ângulo de rotação. Esta relação é usada na medicina: você pode observar diretamente a distribuição da temperatura sobre a superfície do corpo humano Termômetro de cristal líquido na forma de uma faixa indicadora de cor.

Indicadores alfanuméricos de relógios eletrônicos, microcalculadoras. O número ou letra desejado é reproduzido usando uma combinação de pequenas células feitas na forma de listras. Cada célula é preenchida com cristal líquido e possui dois eletrodos que são energizados. Dependendo da magnitude da tensão, certas células “acendem”.

A estrutura dos cristais líquidos - soluções é de grande importância para a vida do corpo: para a circulação do sangue, a transferência de oxigênio por ele, o funcionamento das células cerebrais para o funcionamento de várias membranas celulares. Defeitos nas estruturas da membrana levam a doenças no corpo. A formação de cristais esméticos colestéricos e especialmente líquidos no sangue causa doenças cardiovasculares. Com uma concentração desfavorável de vários componentes na bile, primeiro são formados cristais não completamente sólidos e depois “pedras”.

Os cristais líquidos são usados ​​em vários tipos de telas controláveis, persianas ópticas, telas planas de televisão. A tela da TV LCD é, por assim dizer, um "sanduíche" multicamadas.

Semicondutores Muitos cristais não são bons condutores de eletricidade, como os metais, mas também não podem ser classificados como dielétricos, porque também não são bons isolantes. Estes são semicondutores. 4/5 da massa da crosta terrestre: germânio, silício, selênio, etc., muitos minerais, vários óxidos, sulfetos - são semicondutores.

Semicondutores em microeletrônica Sob a influência da temperatura, iluminação, a resistividade elétrica do semicondutor muda. O trabalho de termistores, fotoresistores é baseado nesse fenômeno. Os fotorresistores são feitos de sulfeto de chumbo, sulfeto de cádmio, selênio de cádmio, com uma estrutura cristalina. Os fotoresistores são amplamente utilizados: 1. Controle de poeira e fumaça nos quartos 2. Interruptores automáticos de iluminação pública 3. Catracas no metrô 4. Classificação e contagem de produtos acabados 5. Controle de qualidade e prontidão de várias peças.

O tamanho excepcionalmente pequeno dos dispositivos semicondutores (às vezes apenas alguns milímetros), a durabilidade associada ao fato de suas propriedades mudarem pouco ao longo do tempo, a capacidade de alterar facilmente sua condutividade elétrica oferecem amplas oportunidades para o uso de semicondutores. O termistor de nova geração garante um funcionamento impecável a uma determinada temperatura.

Circuitos integrados Esta é uma coleção de um grande número de componentes interconectados - transistores, diodos, resistores, capacitores, fios de conexão, feitos em um único chip. Camadas de impurezas e dielétricos são depositadas sucessivamente em uma placa semicondutora (cristais de silício), e camadas de metal são depositadas. Vários milhares de microdispositivos elétricos são formados em um cristal. As dimensões desse microcircuito são geralmente de 5,5 mm e os microdispositivos individuais são de cerca de 10 a 6 m. O moderno processador Pentium-4 consiste em 42 milhões de transistores. .Circuitos integrados - (duas fotos à esquerda) e parte do núcleo do Pentium MMX (foto à direita)

Piezoefeito Se uma placa for cortada de um cristal de quartzo (dielétrico de quartzo) de uma certa maneira e colocada entre dois eletrodos, quando a placa de quartzo for comprimida, cargas de igual magnitude, mas de sinal diferente, aparecerão nos eletrodos. O efeito piezoelétrico é fortemente manifestado nos cristais de titânio, chumbo e seus derivados. Esses cristais são a base de microfones e telefones piezoelétricos. Eles convertem pressão em força eletromotriz em manômetros, servem para estabilizar a frequência de transmissores de rádio, medem tensões mecânicas e vibrações.

Fontes de luz Nas fontes de luz modernas, a luz fria do refletor passa por cabos de fibra de vidro até a ponta de luz (cristal), que fornece um fluxo de luz direcionado, livre de radiação ultravioleta e infravermelha e, portanto, favorável ao olho. Para reflexão decorativa da luz, são utilizados cristais facetados, que possuem formas pontiagudas, semicirculares e redondas.

Eentão ..... Hoje podemos dizer com segurança: sem cristais, a maioria das áreas de atividade humana não será possível, devido à enorme área de seu uso. Alguns cristais são usados ​​para chips, lasers, joias, dispositivos nanoeletrônicos. Outros são usados ​​para fazer indicadores térmicos, sensores, implantes, rolamentos, vidros de relógio, bisturis, óculos ópticos. Outros ainda são projetados para computadores ópticos, fósforos, cintiladores, telas de laptop.

Cristais - azuis, verdes, vermelhos, transparentes, com brilho metálico, autoluminosos, magnéticos, elétricos, sonoros, vibrantes, super-duros e até líquidos, super-fortes e plásticos, permeáveis ​​como uma peneira, mudando de cor e forma , facetado, lamelar e até fibroso e em forma de árvore. Tudo isso é física do estado sólido e poliedros!

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As aplicações dos cristais na indústria são tão numerosas e variadas que é difícil enumerá-las. Portanto, nos limitamos a alguns exemplos.

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O mais duro e raro dos minerais naturais é o diamante. Hoje, um diamante é principalmente um pedreiro, não uma decoração de pedra. Devido à sua dureza excepcional, o diamante desempenha um papel enorme na tecnologia. Serras de diamante cortam pedras. Uma serra de diamante é um disco de aço giratório grande (até 2 metros de diâmetro), nas bordas do qual são feitos entalhes ou entalhes. Pó fino de diamante, misturado com alguma substância pegajosa, é esfregado nessas incisões. Esse disco, girando em alta velocidade, corta rapidamente qualquer pedra.

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O diamante é de tremenda importância na perfuração de rochas e nas operações de mineração. Ferramentas de gravação, máquinas divisoras, durômetros, brocas para pedra e metal têm pontas diamantadas inseridas. O pó de diamante é usado para moer e polir pedras duras, aço endurecido, ligas duras e superduras. O próprio diamante pode ser cortado, polido e gravado apenas com um diamante. As peças de motor mais críticas nas indústrias automotiva e de aviação são processadas com cortadores e brocas diamantadas.

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Rubi e safira estão entre as pedras preciosas mais bonitas e caras. Todas essas pedras têm outras qualidades, mais modestas, mas úteis. Rubi vermelho sangue e safira azul lazar são irmãos, geralmente é o mesmo mineral - corindo, óxido de alumínio A12O3. A diferença de cor surgiu devido a impurezas muito pequenas no óxido de alumínio: uma adição insignificante de cromo transforma o corindo incolor em um rubi vermelho-sangue, o óxido de titânio em safira. Existem corindos e outras cores. Eles também têm um irmão muito modesto e indescritível: marrom, opaco, corindo fino - esmeril, usado para limpar metal, do qual é feita a pele de esmeril. O corindo com todas as suas variedades é uma das pedras mais duras da Terra, a mais dura depois do diamante. O corindo pode ser usado para perfurar, esmerilar, polir, afiar pedra e metal. Rebolos e pedras de amolar, pós de moagem são feitos de corindo e esmeril.

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Toda a indústria relojoeira trabalha com rubis artificiais. Nas fábricas de semicondutores, os circuitos mais finos são desenhados com agulhas de rubi. Nas indústrias têxtil e química, as guias de fio de rubi desenham fios de fibras artificiais, de kapron, de nylon.

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A nova vida do rubi é um laser ou, como é chamado na ciência, um gerador quântico óptico (OQG), um aparelho maravilhoso dos nossos dias. Em 1960 O primeiro laser de rubi foi criado. Descobriu-se que o cristal de rubi amplifica a luz. O laser brilha mais do que mil sóis. Poderoso feixe de laser com enorme potência. Queima facilmente chapas de metal, solda fios de metal, queima tubos de metal, faz os furos mais finos em ligas duras, diamante. Essas funções são executadas por um laser sólido, que utiliza rubi, granada com neodita. Na cirurgia ocular, os lasers de neodino e os lasers de rubi são mais usados. Os sistemas terrestres de campo próximo geralmente usam lasers de injeção de arsenieto de gálio.

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Novos cristais de laser também apareceram: fluorita, granadas, arsenieto de gálio, etc. A safira é transparente, então placas para dispositivos ópticos são feitas dela. A maior parte dos cristais de safira vai para a indústria de semicondutores. Flint, ametista, jaspe, opala, calcedônia são todas variedades de quartzo. Pequenos grãos de quartzo formam areia. E a variedade mais bonita e maravilhosa de quartzo é o cristal de rocha, ou seja, cristais de quartzo transparentes. Portanto, lentes, prismas e outras partes de instrumentos ópticos são feitos de quartzo transparente.

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Os dispositivos semicondutores que revolucionaram a eletrônica são feitos de substâncias cristalinas, principalmente silício e germânio. Neste caso, os dopantes, que são introduzidos na rede cristalina, desempenham um papel importante. Diodos semicondutores são usados ​​em computadores e sistemas de comunicação, transistores substituíram os tubos de vácuo na engenharia de rádio e painéis solares colocados na superfície externa da espaçonave convertem energia solar em energia elétrica. Os semicondutores também são amplamente utilizados em conversores AC/DC. Os cristais desempenharam um papel importante em muitas inovações técnicas do século XX. Alguns cristais geram uma carga elétrica quando deformados. Sua primeira aplicação significativa foi a fabricação de osciladores de radiofrequência estabilizados por cristais de quartzo. Fazendo uma placa de quartzo vibrar no campo elétrico de um circuito oscilatório de radiofrequência, pode-se estabilizar a frequência de recepção ou transmissão.

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Os cristais também são usados ​​em alguns masers para amplificar micro-ondas e em lasers para amplificar ondas de luz. Cristais com propriedades piezoelétricas são usados ​​em receptores de rádio e transmissores de rádio, em cabeças de captação e em sonares. Alguns cristais modulam os feixes de luz, enquanto outros geram luz aplicando uma voltagem. A lista de usos dos cristais já é longa e crescente.