導入
結晶は規則的な形状をした固体を表す一般的な用語ですが、この用法はこの言葉の科学的定義とは多少異なります。国際結晶学連合によれば、回折スペクトルが本質的に不連続である固体はすべて結晶です。本質的な構造特性に基づいて、この定義には古典的な結晶だけでなく、準結晶と呼ばれる最近確立された品種も含まれます。結晶の経験的な特性は、原子組成と原子の空間配置という 2 つの要素によって説明されます。
最も一般的な結晶は、雪、砂糖、塩、ケイ酸塩、酸化物、硫化物、金属、貴石（宝石）です。したがって、伝統的に、結晶は多面体固体であり、多かれ少なかれ光沢があり、規則的かつ周期的な構造を持ち、多数の原子、分子、またはイオンの規則正しい積み重ねから形成されます。
「順序付け」とは、同じパターンが規則的なネットワークに従って同じように繰り返されることを意味します。スタックの再構成を可能にするネットワークの最小部分はメッシュと呼ばれます。
「大きな数」は、メッシュのサイズ (通常は 10 分の数ナノメートル) と比較して、結晶の寸法が大きい (数マイクロメートルから数ミリメートル) ことに起因します。
例外的なサイズの結晶は斑晶と呼ばれますが、私たちが観察する結晶のほとんどは、いくつかの隣接する結晶（または微結晶）で構成されています。前者の場合は「単結晶」について、後者の場合は「多結晶」について説明します。一寸法が 100 nm 未満の単結晶はナノ粒子であり、ナノクリスタルとも呼ばれます。この寸法を最小値、つまり原子の単層まで縮小すると、グラフェンなどの単面結晶が観察されます。
理想的な結晶には結晶欠陥はありませんが、実際の結晶はこの完璧さからはほど遠いものです。欠陥が一定の濃度を超えると、結晶構造の概念は役に立たなくなり、ガラスなどの非晶質材料とみなされます。アモルファス状態は液体状態と密接に関係していますが、液晶もあります。
歴史的
結晶の観察は決して最近ではありません。エジプト人はすでにターコイズについて知っており、古代には宝石 (ダイヤモンド、サファイア、エメラルド、ルビー) が非常に高く評価されていました。紀元前 64 年、ストラボンは水晶を表すクリスタロスという言葉を発明しました。クリスタルが常にその半透明でカラフルな外観とファセットカットされた形状の両方を魅了してきたことは明らかです。これら 2 つの側面は、結晶に特有の物理的特性とそれらが秩序立っているという事実に密接に関係しています。しかし、この命令は長い間誤解されたままでした。結晶学の歴史は主に 2 世紀 ( 19 世紀と20世紀) に及びます。
18世紀の終わりから、結晶の世界に対する私たちのアプローチは純粋に幾何学的なもので、鉱物の世界の極度の硬さからインスピレーションを受けました。結晶学は、当初は博物学者専用の領域でしたが、主に19世紀から20世紀にかけてフランスで普及し、主に 3 人の人物、ジャン＝バティスト・ロメ・ド・リル、ルネ・ジュスト・オーイ、オーギュスト・ブルヴィアンによって注目されました。
古典的な結晶科学
Romé de l’Isle はステノンの研究を取り上げ、1772 年に、結晶の面は成長により一般的にサイズが異なるが、隣接する 2 つの面は常に等しい角度を形成すると指摘しました。この完全に一般的な法則は、純粋に幾何学的な用語ですべての結晶を独自に説明する道を開きます。ただし、この 1 つの原則からすべての形式を決定することはできません。
これを偶然の発見によって飛躍させたのはルネ・ジュスト・アユ神父でした。彼は、方解石の結晶を落とすことによって、壊れたとき、さまざまなサイズの破片が常に元の結晶と同じファセット特性を示すことを発見しました。 Hauy は、元の結晶は似たような「分子」の積み重ねによって記述できると推測し、彼はそれを「統合分子」と呼んでいます。これらは平行六面体の形状であり、完全に組み合わされて均質な固体を形成します。この原理によれば、結晶の形状はそれを構成する元素の数に依存し、結晶の面は小さな段差によって形成されます。このようにして、彼が「すべての頂点での均等な減衰」と呼ぶもの、つまり頂点または完全な形状の端から数を減らして平行六面体を削除することを実行することによって、彼は多数の自然な形状を説明します（たとえば、 cube では、頂点から減少させることによって、たとえば蛍石のような八面体の形態を得ることができます。こうして彼は、スタッキングでは角度が保存されるため、角度の恒常性に関するローマ・ド・リルの法則を発見し、同時に劈開の概念を説明しました。
彼の研究はそこで終わりません。多くの理想化された形状がプリミティブと呼ばれる 3 種類の平行六面体で記述できることを数学的に発見したからです。同時に、五角柱や八角柱で結晶を構成することが不可能であることも示しています。アウイの学生であるガブリエル・デラフォスは、分子を統合するという用語を「要素メッシュ」という用語に置き換えました。この用語は後世まで残ることになります。しかし、Hauy の演繹はすべての結晶構造を完全に説明したわけではありません。このことから、結晶、より正確には結晶格子の定義は、空間の 3 方向における基本セルの繰り返しであるということになります。つまり、結晶は周期的な物体です。
Hauy の研究は Weiss によって取り上げられ、対称性の要素に関連して結晶の面を特定します。物理学におけるこの非常に重要な原理は、すべての結晶学の指針となります。したがって、一方の面から他方の面に移動するには、中心に対する回転や反転などの対称操作を適用することができます。
1848 年、オーギュスト ブラレは結晶の分類に関する純粋に数学的な研究を発表しました。これは、空間の 3 つの方向における結晶の 3 つの周期性 (並進対称) と互換性のある配向対称性を持つすべての構造を記述します。したがって、彼は 32 クラスの対称性が 14 種類のネットワークに分割され、Brallais ネットワークは基本セルの形状を定義する 7 つのシステムにグループ化できることを発見しました。この分析は、ネットワークのポイントを任意に配置できないことを単純に示しています。平面ネットワークのより単純なケースを考えてみましょう (結果は 3D に一般化されます)。
純粋に幾何学的な時代は終わったばかりで、すべての構造を徹底的に分類できるようになりましたが、実際の構造が実際にどのようなものかはまだわかっていません。 19世紀末、原子の概念が確立された規則を破壊したため、物理学は混乱に陥りました。新興の原子理論は、結晶学によってもたらされた結論に部分的に基づいて構築されました。ガブリエル・デラフォスは、メッシュの概念を導入することによって、組織と基本構成要素を分離できることにすでに気づいていました。結晶は、原子パターンで装飾された基本メッシュによって説明できます。
結晶の網状の性質の発見、つまり、構造を一連の平面ファミリー (原子の層の積み重ね) として記述でき、同じファミリーの各平面は一定の距離で分離されているという事実、層間距離は重要な結果をもたらします。それは、X 線が結晶質によって回折されることを発見したマックス フォン ラウエによるものです。この現象は、放射線が通過するスリットのサイズが波長程度である場合に発生します。結晶の場合、2 つの平面間の距離は原子間の距離程度、つまり 10 億分の 1メートルです。この場合、回折現象を得るには非常に短い波長の放射線が必要となります。この状態は X 線によって実現され、私たちが物質を調査できるのは X 線のおかげです。特に、特定の方向で結晶を照明すると、放射線は特定の方向にのみ回折されます。いわゆる回折パターン、つまり結晶と同じ対称性を持つスポットのネットワークが得られます。
その後、結晶構造を特徴付ける研究がウィリアム ローレンス ブラッグによって父親の援助を受けて開始され、大きな成功を収めて開発が続けられました。
したがって、多数の構造を特定することができました。たとえば、金属は 3 種類の格子で結晶化します。中心立方晶 (鉄、クロム)、面心立方晶 (アルミニウム、銅)、および六角形 (亜鉛、チタン) です。他の構造も結晶化します。これは、たとえば、タンパク質、ウイルスです。最も有名な例は、私たちの細胞の基本構成要素である DNA 分子の例です。 1953 年、クリックとワトソンは、R. フランクリンが結晶化した分子を影で撮影した回折ショットの分析のおかげで、この分子の二重らせん構造を発見しました。
海塩も結晶です。面心立方網状構造で結晶化した塩化ナトリウム(NaCl) です。この場合、メッシュとメッシュを装飾する原子パターンの概念がよりよく理解できます。
結晶
鋳物の温度が融点よりも十分にゆっくりと下がり、異なる原子の熱運動が振動によって相互接続が破壊されなくなるほど低い値に達すると、結晶が形成されます。距離順序によってマークされる均一な格子。この均一な格子は、局所的な順序でのみ配置されている (原子の局所的な配置はガラス内で規則的に繰り返されない) アモルファス ガラスよりも自由エンタルピーが低くなります。このプロセスは結晶化と呼ばれます。鋳物の温度が急速に低下する場合、さまざまな現象が観察され、そのようにして得られた固体は非常に特殊な特性を持つ可能性があります。
現代の結晶科学
1980 年代初頭、急速に凝固するアルミニウムとマンガンの合金に取り組んでいたダン シェヒトマンは、非常に特徴的な回折パターンを示す結晶標本を入手しました。画像は非常に鮮明で、結晶構造を示していましたが、確立された理論によれば不可能である五角形の対称性を示していました。さまざまな説明が提唱されましたが、すぐに事実を直視する必要がありました。新しい種類の結晶が発見されたということです。他の 3 人の研究者、 I. ブレッヒ、 JW カーン、デニス グラティアスは、1984 年に出版されたシェヒトマンとの創設論文に署名しました。この出版物は真の科学革命の始まりを告げました。最初は論争が起こり、すぐに意見の逆転につながり、その後に続きます。以前に隠蔽されていた事件が遡及的に発見されること。それ以来、古典的でよく知られた結晶は特別なケースであると考えられてきました。つまり、それらは周期的な結晶です。別のカテゴリーでは、非周期結晶を分類するか、準結晶と呼ばれる結晶が発見される前に認識されていた通約不可能な結晶が含まれます。 1990 年代初頭、国際結晶学連合は、その主要な主題である結晶の新しい定義を採用しました。したがって、我々は現在、周期性は結晶秩序の十分な要素であるが、必須ではないことを認めています。