Догнать и обогнать природу Кристаллография

• Нашу жизнь во многом определяют кристаллы. • Те, что лежат в основе великого множества уже привычных технических устройств: от часов до компьютеров. И те, что помогают совершать научные открытия, создавать новые установки и приборы, расшифровывать структуры белковых молекул. И даже те, что образуются в организме человека помимо его воли — камни в почках и желчном пузыре — они тоже, хоть и негативно, но сказываются на качестве жизни. Поэтому так важно понять природу кристаллов, законы их образования и свойства им присущие. Этими вопросами занимается наука кристаллография. В России она имеет славную историю и большие планы на будущее.

• В наручных часах, в настольном компьютере и в самом современном телевизоре – они есть везде. Без них современная жизнь была бы невозможна. Что такое кристаллы? Как они образуются и для чего используются?

Что же такое кристаллы? • Для начала, давайте вспомним три главных агрегатных состояния вещества – жидкое, газообразное и твердое. • Так вот твердое состояние как раз является состоянием кристаллическим. • Из этого следует, что кристаллы находятся везде вокруг нас – мы по ним ходим, мы из них строим, мы их даже едим! • Примером может послужить те же соль или сахар

Кристаллы вне и внутри нас • Так как мы тоже часть природы, к сожалению, в нас иногда тоже растут кристаллы. • Эти кристаллы – мочевые камни, камни в желчном пузыре, даже стентирование сосудов и тд.

• Сейчас сложно представить технику, в которой бы не было кристаллов. • В любом электронном предмете, если присутствует электронная система, есть кристалл. • Карты памяти, диски, жидкие кристаллы в часах, плазменные экраны и тд.

• Кристалл чудодейственен своими свойствами. Он выполняет самые разные функции! Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решётчатую трёхмерную структуру.

• Новые возможности открыли нам нанотехнологии. • Установлено, что с уменьшением кристаллов до нано размеров (то есть до миллиардных долей метра), существенно меняются их свойства – например, химическая активность. Это даёт новые возможности для создания лекарств, ведь кристаллизация белков сложнейший процесс, иногда в земных условиях вообще невозможный!

• Есть целый ряд областей, в которых лучше кристаллов – ничего нет. Например направление в оптике, называемое Солнечно-слепая технология, основанное на том, что если отфильтровать солнечный свет таким образом – мы будем пропускать только узкий участок ультрафиолета – то можно создавать очень чувствительный прибор. Для это нужно создать очень эффективный оптический фильтр. Оказалось, что лучше кристаллов – ничего нет! !

• Почему кристалл? А потому что именно в кристалле наибольшая плотность поглощающих центров на единицу объёма. Значит лучше него свет ничто не фильтрует!

• Замечательным свойством кристаллов является именно строгая трёхмерная упорядоченность решётки. Именно это основа того, что кристалл служит дифракционной решёткой для рентгеновских лучей. Изучая дифракционную рентгеновскую картину можно установить структуру кристалла. Именно этот подход был в начале 50 -х годов впервые использован для того, чтобы расшифровать структуры молекулы ДНК.

• Изменилась парадигма развития кристаллографии, потому что сначала мы копировали природу. Мы изучали природные материалы, их свойства, и затем копировали природные технологии. • Сегодня же мы перешли к качественному этапу, мы перешли к белковой кристаллографии. Мы стали изучать биологически живые кристаллы. Это понимание смысла жизни, её устройства, и как следствие – выяснение, из-за чего возникают болезни, их молекулярные причины, а затем подбор лекарств.

• Молекулярная, или биологическая, кристаллография даёт основы для понимания сути организации всего живого, дефектов живого, то есть болезни, и создание лекарств.

• Сейчас идет поиск новых кристаллов с новыми свойствами. Это и есть важнейшее направление современной кристаллографии, в первую очередь – неорганической. При этом, сегодня оно усиленно наличием уникальных диагностических средств: 1) Электронная микроскопия • 2) Рентгеновское излучение

Двумерные кристаллы • Мы привыкли, что первое определение, которое дается кристаллу – трёхмерная периодическая структура. Но после дали новое определение – кристалл – это твердое тело, которое даёт дифракционную картину. С эти определением ушла и трёхмерная периодичность. Это означает, что дальше можно перейти к двумерным кристаллам. • В 2012 году была получена Нобелевская премия за двухмерный кристалл. Теперь получают уже новые двухмерные решетки.

• Что отличает кристаллы от жидкости и газа? Это сильное взаимодействие между атомами. Настолько сильное, что выстраивается трёхмерная, в идеальном случае бесконечная, решётка. Именно этим определяются их многие свойства. • Когда мы начинаем менять свойства кристалла, чтобы получить то, что нам нужно. Один из способов – изменить размер кристалла. В этом случае на поверхности кристалла атомы с ненасыщенными связями обладают другими свойствами. Если увеличить количество этих атомов, то возможно мы получим кристалл с другими свойствами.

• Сегодня кристаллография переживает качественно новый этап своего развития. От кристаллов к неструктурированным средам и живым системам, от макро- к микро- и нанообъектам, от трёхмерных к двухмерным и одномерным структурам. • Методология развития кристаллографии такова, что она прошла путь от подражания природе к искусственному конструированию объектов, не имеющих аналогов в природе.

2 • Из узкоспециализированной минералогии кристаллография стала сложной междисциплинарной наукой. Суть ее в сочетании возможностей и достижений геологии, химии, физики, в ближайшей перспективе биологии. Не исключено, что именно в кристаллографии будут получены результаты о совместимости живой и неживой материи.

Итоги • Наука о кристаллах началась с описания природы, природных минералов, и вышла на описание живой природы, белковой кристаллографии, жидких кристаллов. Сегодня она является живой, очень интересной научной дисциплиной. Одна часть кристаллографии стала промышленной практикой, где производятся кристаллы, без которых невозможно представить современную жизнь, а другая часть, это наука нашего стремления, которое всегда двигало человечество вперед к познаниям.

• Будьте любопытны! • Задавайте как можно чаще вопрос «почему? » и пытайтесь найти ответ!

• Использован материал из видео “ «Кристаллография» : Истории из будущего с М. Ковальчуком” • https: //www. youtube. com/wa tch? v=v. IB-Ldp. Kuew