Анизотропия драгоценных и других ювелирных камней

Откровенно говоря, для примитивного понимания вопроса достаточно и школьных знаний.

Анизотропия как зависимость физических свойств от направления - это свойство любого кристалла, присущее ему просто потому, что он кристалл, то есть его атомы упорядочены (кристаллическая решетка).

Этим свойством кристалл отличается от других твердых тел: от аморфных твердых тел (стекло), от поликристаллических твердых тел, состоящих из мелких кристаллов (металлы) - вот они как раз изотропны; их свойств одинаковы по всем направлениям.

Например, посмотрите учебник по физике для 10 класса, автор Мякишев, 2010 год, параграф "Кристаллические тела".

Тема освещена поверхностно, но поможет подготовиться к понимаю того, что напишет господин Аметистов.

Учебник найду, спасибо. У нас в школе это изучалось ровно одну неделю (два урока), знаний не осталось.

Изотропная прочность (не металлов, о которых пишут в Сети, а именно камней) - это одинаковая прочность по всем направлениям?

Можно ли сравнить изотропную прочность кристаллического и поликристаллического кварцев? Это то, что в англоязычных источниках называют toughness?

Без использования начальных знаний физической кристаллографии ответить действительно тяжело. Но легких путей не ищем.

1 - Все камни делятся на аморфные и псевдо-аморфные (их большинство = стекло, халцедоны, агаты, кремни, многие горные породы), поликристаллические (кварц мелкокристаллический, кажущийся белым, кварцит, непрозрачный турмалин, содалит, лабрадорит и многие другие горные породы) и, наконец, монокристаллические (все драгоценные камни). Монокристаллы (single crystals) и маленькие кристаллики в поликристаллах состоят из элементарных ячеек, образованных целым числом химических молекул. Например, в элементарной ячейке алмаза - 8 атомов углерода, а в элементарной ячейке сапфира Al2O3 x N молекул, где N - целое число.

2 - Аморфные и поликристаллические камни изотропны. То есть, механические свойства во всех направлениях равны. Изотропными камнями являются также камни с кубической элементарной ячейкой: шпинель, алмаз, все гранаты, флюорит, пирит.

3 - Все уникальные оптические свойства драгоценных камней: плеохроизм, двулучепреломление, эффект Уссамбара и многие другие связаны именно с анизотропией оптических свойств не кубических кристаллов. То есть, с тем, что различные спектральные составляющие лучей распространяются вдоль разных кристаллографических направлений по разному.

4 - Механические прочностные свойства камней - твердость и прочность (вязкость) связаны в первую очередь с прочностью межатомных связей в кристаллах. Самая прочная связь образуется за счет перекрытия электронных оболочек - КОВАЛЕНТНАЯ связь. В алмазе связь осуществляется именно за счет перекрытия внешних электронных оболочек атомов (углерода). В некоторых не очень прочных кристаллах, например, в кристаллах поваренной соли NaCl, связь осуществляется за счет взаимного притяжения ионов Na+ и Cl-. Хлор оттягивает на себя внешнюю электронную оболочку натрия полностью. Такая связь называется ионной. Ионная связь достаточно не прочная. Кристаллы с ионной связью обычно растворяются водой. Наконец, есть металлический тип связи в кристаллах (металлах и ... гематите + пирите), который обусловлен полным слиянием электронных оболочек соседних атомов. Так что нельзя сказать, какому именно из атомов принадлежит электронная оболочка (электрон). Интересно, что в графите, образованным все тем же углеродом, преобладает именно металлический тип связи. Эти три типа атомных связей объясняют ВСЕ без исключения физико-химические свойства кристаллов и изменения этих свойств при переходе от одного кристалла к другому.

5 - Большинство кристаллов драгоценных камней имеют смешанный ковалентно/ионный характер связи. Чем больше доля ковалентной связи, тем выше прочность и твердость. Преобладание того или иного типа связи атомов между собой полностью определяется строением внешних электронных оболочек атомов и условиями, в которых эти кристаллы образовались. В большинстве драгоценных камней в том числе и в подгруппе агатов-халцедонов преобладают ковалентные связи.

6 - Чем выше симметрия элементарной ячейки, тем меньше анизотропия. В некоторых кристаллах, между одними атомами в элементарной ячейке преобладает прочная ковалентная связь, а между другими преобладает слабая ионная связь. Такая ситуация реализуется в кристаллах кианита. В этом случае, очевидно, что твердость и прочность такого кристалла в разных направлениях будет существенно различны. Кианит имеет сразу 2 плоскости "легкого" преимущественного разрушения (плоскости спайности), так что у одного и того же кристалла твердость на поверхностях с разных сторон будут равны 4.5 - 6.0 - 7.0 !

7 - В изотропных кубических кристаллах таких плоскостей спайности НЕТ. Их также нет и в аморфных и в поликристаллических материалах. Вот почему ребра вокруг площадки ограненного стекла ВСЕГДА скалываются равномерно по периметру. Если кристалл сапфира ограняется из природного сырья, то столик почти всегда не параллелен основанию шестигранной призмы элементарной ячейки корунда. Поэтому сколы образуются преимущественно по плоскости с наименее прочными связями. Интересно, что точно также опытные огранщики и резчики заготовок для машинной огранки обрабатывают и синтетический корунд - чтобы площадка была не параллельна основанию шестигранной призмы ячейки. Однако делается это не с целью достижения наибольшего веса, а чтобы сделать полосы роста не видными со стороны площадки.

8 - Кроме анизотропии механических свойств, связанных с микроскопическим строением материалов (не кубической элементарной ячейкой) существует анизотропия прочностных свойств, связанная с макро структурой материала. Классические пример такого материалов это ЗЕЛЕНЫЙ нефрит с волокнами актинолита, который раскалывается при очень сильном ударе непредсказуемым образом, но всегда вдоль волокон, которые меняют направление своего "залегания" произвольным же образом. Заметим, что НЕ ВОЛОКНИСТЫЙ апокарбонатный речной нефрит разрушается в результате удара вполне предсказуемым образом - в том месте, где уже есть трещина или там, где возникли максимальные напряжения при ударе - например в месте касания камня киркой или острым зубцом геологического молотка. Другим примером является окрашенный волокнами гетита тигровый камень (кварц), который также всегда разрушается вдоль волокон и никогда поперек.

8а - Самое интересное, что если подобные волокна есть в аморфных камнях, то эти самые волокна сильно УПРОЧНЯЮТ эти камни, повышая из прочность, но оставляют твердость на прежнем уровне. В то же время некоторые виды примесей, например углерод, также упрочняет халцедон, но это упрочнение происходит на микроскопическом уровне за счет усиления ковалентных связей. Это приводит не к повышению прочности камня, а к повышению его твердости. Так, например, черный агат холодного осадочного образования (кремень) из-под Серпухова является самым твердым из известных на сегодняшний день халцедонов - он царапает даже чистый монокристаллический кварц.

9 - Заметим также, что прочность поликристаллического кварца много ниже прочности (вязкости - toughness) монокристаллического кварца, а вот твердость практически одна и та же = 7. Почему это собственно? При скрайбировании, то есть при определении твердости основное сопротивление пробнику твердости оказывают мелкие монокристаллики (single crystalites - для знатоков) кварца, из которых собственно и состоит поликристалл кварцита. А вот прочность определяется слабым звеном макроструктуры, которым являются граница зерен, которые структурно являются так называемыми малоугловыми и большеугловыми границами с множеством оборванных связей, микрополостей и пониженной прочностью. Прочность в этом случае определяется именно этим слабым звеном - границами зерен.

Post scriptum: Главное было изложить основы физики кристаллов и кристаллографии без тензорного исчисления, теории групп и абелевых трансляций, расширений подгруппы трансляций в виде пространственной группы, а также без гораздо более простых тройных и четверных обозначений в кристаллографии различный плоскостей (121) или (1210), групп плоскостей {121}, направлений [133] и групп направлений <133> с одинаковыми физическими свойствами. При изложении также "забыты" основы теории дислокаций и все подвиды псевдо аморфных тел, среди которых, например, опалы, халцедоны, синтетический ситал и ... псевдоаморфные алмазы Попигайской астроблемы с неупорядоченными ковалентными связями, обеспечивающие этим камням твердость вплоть до 12-ти по шкале Мооса. Специфическое строение всех перечисленных псевдоаморфных камней нельзя рассмотреть без теории дальнего и ближнего порядка (группы трансляций). - Это в качестве защиты от сильно ученых критиков этого опуса. =

Огромное спасибо!

Буду читать и учебники. Постараюсь восполнить пробел в знаниях.