Дефекты кристаллической решетки

Этот снимок дислокаций в кристаллической решетке может служить примером того, как чисто умозрительная идея впервые получила подтверждение с помощью фотографии. Как только разрешающая способность электронного микроскопа была доведена до достаточно высокого уровня, этот прибор был использован для непосредственного наблюдения структуры крупных молекулярных кристаллов. При этом были подтверждены теоретические предсказания, сделанные более двадцати лет назад.

Теория кристаллических дефектов Джеффри Инграма Тейлора берет начало в его работе по конструированию валов авиационных двигателей на Королевском авиационном заводе в Фарнборо. "Со мной работал молодой человек по фамилии Гриффит, - вспоминал Тейлор в 1971 г. - Пытаясь объяснить, почему прочность металлов оказывается значительно ниже, чем можно было бы ожидать из анализа межатомных взаимодействий, он разработал теорию распространения трещин в кристаллических структурах. Однако наблюдаемое повышение прочности металла при пластической деформации не укладывалось в теорию Гриффита. Об этом несоответствии я размышлял целых двадцать лет, пока не сообразил, что физическая идея, возникшая у меня с самого начала, может быть математически описана с помощью модели упругих дислокаций Вольтерра".

Эта математическая модель была изложена в двух статьях, посвященных "механизму пластической деформации кристаллов", которые были опубликованы в 1934 г. В них с теоретической и практической точек зрения рассматривались кривые "напряжение - деформация" для монокристаллов металлов (алюминия, меди, золота, железа) и каменной соли. Кривая "напряжение - деформация" показывает, как под действием растягивающего напряжения кристалл испытывает вначале упругую деформацию, затем пластическую и, наконец, разрыв. Поведение кристалла, подвергаемого напряжению сдвига, можно объяснить скольжением одной плоскости регулярной кристаллической решетки относительно другой.

Идеальный кристалл обладает большой устойчивостью по отношению к сдвиговой деформации, однако прочность реальных кристаллов снижается из-за наличия дефектов (как это и пытался объяснить Гриффит). Но несмотря на указанное снижение прочности металлов, в некотором диапазоне нагрузок они, как ни странно, обладают повышенной устойчивостью к деформации. Тейлор утверждал, что повышение прочности обусловлено увеличением числа дефектов в единице объема кристалла. Эти дефекты рассматривались как дислокации кристаллической решетки, которые могут перемещаться внутри решетки, но не исчезают. Подобно узлу на шнурке, дислокация может "выйти" из кристалла только на его грани.

Работы Тейлора 1934 г. по теории дислокаций в кристаллической решетке в чем-то можно уподобить рассуждениям астрономов, которые, как образно выразился А. Эддингтон, живя на вечно затянутой облаками планете, строят догадки о природе звезд. Несмотря на значительно более высокую разрешающую способность электронного микроскопа по сравнению с оптическим, непосредственное наблюдение кристаллической решетки стало возможным лишь в 1955 г. Именно тогда Дж. Ментер из исследовательской лаборатории "Тьюб Инвестментс" начал изучать кристаллы, параметр решетки которых был сравним с разрешающей силой микроскопа (порядка 10А).

Подготовив суспензию кристаллов фталоцианинов меди и платины в спирте, Ментер помещал каплю ее на сетку просвечивающего электронного микроскопа "Сименс Элмископ 1" - лучшего инструмента того времени. Когда жидкость испарялась, он фотографировал кристаллы, полагая, что в результате дифракции электронного пучка на кристаллической решетке ее плоскости будут хорошо видны. Выбор материала для исследования был продиктован как большим расстоянием между слоями молекул в решетке этих соединений металлов, так и их высокой температурной стабильностью, благодаря которой они не разрушались под действием мощного электронного пучка.

Как видно из приведенной здесь фотографии, опыт Ментера оказался успешным. Кристалл фталоцианина платины изображен с торца одной из кристаллографических плоскостей. Измеренный по микрофотографии (увеличение 70000 крат) параметр решетки, равный 12А, совпал с данными рентгеноструктивного анализа. Более позднюю электронную микрофотографию (см. рис. из раздела Атомная физика добирается до золота) можно рассматривать как тот же объект в плане.

Замечательной особенностью приведенной здесь фотографии (ценной, впрочем, уже и потому, что на ней впервые удалось увидеть кристаллическую решетку) является присутствие единичной дислокации (схема внизу помогает отыскать ее на снимке). Ментер полагал, что, хотя на фотографии видна только проекция кристаллической структуры, линия дислокации проводит через всю толщину кристалла. Различные дефекты кристалла были заметны и на других снимках.

Эта электронная микрофотография статична (о том, как изучается динамика поведения кристалла, рассказано на с. 188-189), но благодаря ей дислокации превратились, наконец, из удобной математической абстракции в физическую реальность. Как писал некогда Джон Тиндаль, "ярчайшие прозрения в мире идей остаются незавершенными, пока им не найдено соответствие в мире фактов".

1955 г. Хинкстон-холл, Кембридж, Великобритания. Дж. Ментер. Электронный микроскоп 'Сименс Элми- скоп' (80 кВ) с тонкой фокусировкой 'Илфорд спешиал контрасти лэнтерн' Музей науки, Лондон [27, 187, 208, 273]