Живой кристалл

В КРИСТАЛЛЕ БЫЛА ТРЕЩИНА

Можно не сомневаться, что в обломках кристаллов каменной соли, принесенных в нашу лабораторию из шахт, некогда были тонкие клиноподобные трещины. Были и самопроизвольно залечились, оставив о себе воспоминание в виде множества ограненных полостей, заполненных раствором соли в воде. У устья бывшей трещины полости совсем мелкие — 1—3 мкм, дальше от устья — крупнее. Почти все они разобщены, и абсолютно все лежат в одной плоскости — в той, где некогда была трещина. Именно так надо считать: где некогда была трещина, потому что предполагать, что полости случайно оказались в одной плоскости, — значит допустить исчезающе маловероятное.

Возникает множество вопросов. Во-первых, как трещина образовалась? На этот вопрос отвечать не будем,отмахнемся от него. Образовалась и все тут! В интересующей нас задаче будем числить трещину под рубрикой «дано». Под этой же рубрикой будем числить и то, что трещина заполнена жидким раствором вещества кристалла, т. е. соли, в воде. Донецкая соль образовывалась, выкристаллизовываясь из раствора, и поэтому раствор в трещине — вещь реальная. Отмахнуться нельзя от других вопросов: почему трещина превратилась в совокупность замкнутых включений и как это превращение произошло? Эти вопросы заслуживают подробных ответов, тем более что ответы пояснят кое-что, имеющее отношение не только к судьбе трещины. Трещина — повод для очередного рассказа о «жизни» реального кристалла.

Ответ на вопрос «почему?» предрешен необходимостью кристаллу подчиняться термодинамике. Она дает право самопроизвольно происходить лишь тем процессам, которые сопровождаются выделением энергии.

Оценим максимальную энергию, которая может выделиться при самопроизвольном преобразовании формы трещины, заполненной жидким раствором. Самопроизвольно она может только изменять свою форму, а исчезнуть не может, так как заполнена раствором. Для определенности предположим, что клинообразная трещина имеет максимальный раствор один микрометр (h =10^-4 см), а площадь каждой из ограничивающих ее поверхностей равна 1 см². Это означает, что с трещиной связана поверхностная энергия W_s= 2α_i и в трещине заключено

V = (h ^. 1)/2 = 5^.10^-5 см³ жидкости.

Так как поверхностная энергия на границе раствор — кристалл α_i ≈ 20 эрг/см³, то W_s ≈ 40 эрг. Лучшее, в смысле выделения энергии, что может произойти с трещиной, — это ее преобразование в одно включение, имеющее форму кубика с объемом, равным объему жидкости. Поверхность такого кубика S = 6V²/³ ≈ 8• 10^-3 см². С ним связана поверхностная энергия W = Sα_i = 0,16 эрг.

В этом, самом выгодном процессе выделится почти вся энергия, связанная с трещиной, — из 40 эрг лишь 0,16 эрг сохранится в кристалле. Если образуется не одно, а много ограненных включений, выигрыш будет меньшим, но он будет всегда, и в полном согласии с термодинамикой трещина имеет право преобразовываться в ансамбль замкнутых включений, свидетельствующих о том, что в кристалле была трещина, Чаще всего происходит именно этот, менее выгодный процесс, так как для его осуществления необходим перенос вещества кристалла на меньшие расстояния. Выигрыш энергии меньше, но лежит он ближе!

В конце очерка — воспоминание. Оно уместно, так как является поводом, чтобы дополнить наш рассказ.

Все то, что я рассказал о залечивающейся трещине, заполненной жидкостью, впервые увидел, исследовал и правильно понял замечательный советский кристаллофизик Георгий Глебович Леммлейн. Незадолго перед смертью он был гостем нашей лаборатории. В разговоре вспомнили о его классических исследованиях «мокрых» трещин. Георгий Глебович посоветовал нам исследовать залечивание «сухой», т. е. обычной, трещины в кристалле на том разумном основании, что термодинамика равно протестует и против «сухих», и против «мокрых» трещин. Против «сухих» даже более решительно, так как поверхностная энергия кристалла на границе с пустотой значительно больше, чем на границе с жидким насыщенным раствором. Мы последовали его совету и в течение года изучали залечивание «сухих» трещин. Работали мы с большим интересом и, надеюсь, с пользой для проблемы.