Все многообразие мира кристаллов, видимое нами, связано с существованием 230 способов, которыми южно расположить атомы в кристаллической решетке. При этом подразумевается, что в решетке обязательно имеются три независимых выделенных направления, вдоль которых атомы периодически занимают свои места, а ре-метка в целом обладает симметрией. Понятие симметрии существует в нашем сознании как призна:. внутренней красоты, согласованности и уравновешенности пропорций и частей, которые составляют гармоничное целое Благодаря равновесию сил атомы и молекулы выстраиваются в кристалле правильными рядами, колоннами и слоями. По разным направлениям расстояния и силы взаимодействия между частицами, из которых складывается кристалл, могут быть различны. Поэтому кристалл растет с неодинаковой скоростью по разным направлениям и вырастает в форме многогранника. На гранях осаждаются и закрепляются все новые и новые слои.

Собственно говоря, упомянутое число 230 — это число возможных типов симметрии. Наука, которая установила этот и многие другие интереснейшие факты строения кристаллов и которая вообще изучает графику кристаллических решеток, называется кристаллографией. Мощным орудием исследования в этой науке является освещение кристалла яркими вспышками рентгеновского излучения. По сильным отражениям этого излучения от тонких слоев внутри кристалла (толщина таких слоев составляет период решетки) судят о внутреннем устройстве решетки атомов. Это очень точный и надежный метод изучения симметрии.

Вообще атомы и молекулы закономерно располагаются в решетке потому, что именно такое расположение для них наиболее экономично с энергетической точки зрения. В состоянии равновесия система обладает минимальной энергией. Если температура далека от точки плавления, т. е. слабы тепловые толчки, то атом или молекула прочно сцепляется со своими ближайшими соседями, но так, чтобы затраты энергии на это сцепление были наименьшими. Если это можно сделать в одном месте, то, значит, точно так же частицы поступят и во всяком другом месте кристалла. Главное энергетическое требование здесь — каждая частица должна находиться в одинаковых условиях. Наглядные примеры экономичного и рационального строения дает древнее зодчество и современная архитектура, бывающая, к сожалению, слишком безликой. Не менее впечатляющим примером являются соты, которые строятся пчелами по велению инстинктов. И все-таки изощренность неживой природы при возведении кристаллических конструкций поражает воображение.

Силы, которые удерживают каждый атом на своем месте в трехмерной решетке, бывают разного типа. Иногда это просто силы притяжения и отталкивания между ионами в зависимости от их знаков. При этом ионы образуются благодаря тому, что один из атомов отдает свой электрон атому другого сорта, как, например, в обыкновенной соли получаются положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. В других кристаллах связь атомов не столь проста: оказывается, электроны могут принадлежать сразу двум атомам, как, например, в алмазе. Разорвать такую электронную связь трудно. И мы вправе заключить, что такие силы обеспечивают повышенную прочность кристаллической решетки. Чаще, однако, встречается смешанный вариант взаимодействия, когда атомы связаны отчасти, как в поваренной соли, и отчасти, как в алмазе. Так устроены кристаллы, не проводящие электрический ток. В металлах, т. е. в кристаллах, являющихся проводниками электрического тока, электроны вообще теряют конкретных хозяев, т. е. свои атомы, и составляют единый коллектив, принадлежащий всему кристаллу в целом.

Но существуют кристаллы, называемые молекулярными, в которых силы взаимодействия между частицами не похожи на только что названные и весьма своеобразны. Дело в том, что здесь решетка образована молекулами, каждая из которых занимает совершенно определенное место. Атомы в каждой молекуле связаны так же прочно, как в алмазе. Электроны из электронного облака молекулы не в состоянии вырваться и перейти хотя бы частично в распоряжение соседней молекулы. Поэтому в таких кристаллах молекулы взаимодействуют между собой с помощью механизма, о котором мы уже говорили, когда рассматривали причины существования жидких кристаллов. Суть его состоит в образовании у нейтральных молекул мгновенных электрических диполей, которые притягивают друг друга, а, значит, и молекулы в це-лом. Жидкие кристаллы, если их сильно охладить, превращаются именно в такие молекулярные кристаллы с трехмерной решеткой.

Поскольку силы притяжения в молекулярных кристаллах довольно слабенькие, прочность таких твердых тел не высока. Вспомните хотя бы легко тающие сахар или парафин. Но эта слабость связей таит в себе богатые возможности для многообразия конструкций из молекул. В самом деле, снабдив молекулы какими-либо дополнительными элементами, обеспечивающими хотя бы крошечное усиление притяжения молекул, мы можем сделать кристалл более прочным, если не во всех трех измерениях, то, по крайней мере, в двух или одном избранных направлениях. Кроме того, изменяются условия соблюдения порядка и в ориентации молекул: он также становится многообразнее. Тот или иной способ построения и ориентации молекул определяется теперь внутренним уставом кристалла — его симметрией, а команды на конкретное построение подает температура.

Чем сложнее молекула, чем больше у нее выступов, отростков и других маленьких хитростей, тем дольше сопротивляется молекулярный кристалл тепловому расшатыванию. С увеличением температуры он теряет порядок в своих слоях, колоннах и рядах постепенно, шаг за шагом, в зависимости от того, в каком направлении рвется слабейшее звено. При этом ориентация молекул либо подчиняется общему порядку, либо приходит постепенно в хаос. Полный хаос как в позициях, так и в ориентациях означает плавление в обыкновенную жидкость. Хаос только в позициях молекул во всех трех измерениях соответствует нематическому или холестери-ческому состояниям. Хаос в позициях лишь в двух измерениях означал бы, что имеются тонкие жидкие слои, образующие в третьем измерении кристаллическую решетку с единственной осью. Хаос в позициях молекул всего в одном направлении означал бы, что имеются жидкие ряды или «нити», которые образуют в оставшихся двух измерениях периодическую решетку. Периодические решетки, образованные как жидкими нитями, так и жидкими слоями, должны, естественно, обладать твердостью кристаллов, хотя и не во всех измерениях. Так, решетка жидких нитей тверда в двух направлениях, перпендикулярных нитям. Решетка жидких слоев проявляет твердость только в одном направлении, перпендикулярном слоям. Когда мы говорим о твердости и твердых телах, то обычно имеем в виду, что материал проявляет упругость, т. е. восстанавливает свои размеры и форму после снятия нагрузки. Применительно к обсуждаемым частично твердым кристаллам это означает, что решетка нитей упруга в плоскости, которую пронизывают нити, а решетка слоев упруга вдоль оси, на которую нанизана стопка слоев.

Вдоль избранных направлений — кристаллических осей — в таких необычных кристаллах действует хорошо известный нам закон Гука — самый главный закон упругости. В данном случае а закон Гука действует вдоль направления г, а в случае (б) — вдоль направлений х и у. Если в случае (а) сила действует вдоль жидких слоев, то в этих направлениях закон упругости не работает: тело здесь течет как вязкая жидкость. Такой же текучестью обладает тело в случае (б), когда на него действует сила, направленная вдоль жидких нитей. Таким образом, системы жидких слоев и нитей очень своеобразны. Поговорим теперь о них подробнее.