Rychlost růstu krystalu

Krystaly, které rostou volně např. v kapalném prostředí nebo v plynu, samovolně přijímají tvar mnohostěnu, jehož plochy jsou vždy rovnoběžné s mřížkovými rovinami a jehož hrany jsou rovnoběžné s uzlovými přímkami. Avšak jen některé mřížkové roviny se projeví na vnějším tvaru krystalu jako krystalové plochy. Krystaly jsou zpravidla omezeny plochami, které odpovídají mřížkovým rovinám s vysokou retikulární hustotou (retikulární hustota je dána počtem uzlů mřížkové roviny na jednotku plochy - obr. 16). Vysoká retikulární hustota znamená krátké a pevné vazby se sousedními částicemi v mřížkové rovině; částice na krystalových plochách s vysokou retikulární hustotou mají jen relativně malou volnou povrchovou energii. Rostoucí krystal má tendenci obklopit se plochami s nejnižší volnou povrchovou energií. Mřížkové roviny s vysokou retikulární hustotou jsou obvykle roviny s nízkými indexy, jako např. 100, 010, 001, 110 atd. Proto jsou plochy s nízkými indexy obvykle největšími plochami na krystalu. Plochy odpovídající mřížkovým rovinám s vyššími indexy a současně s nízkou retikulární hustotou (např. 210, 211, 321, 114 atd.) se na krystalech vyskytují jen zřídka jako hlavní plochy - pokud jsou tyto plochy na krystalech přítomny, jde v mnoha případech jen o relativně velmi malé plošky, které utínají rohy nebo hrany krystalu.

Rychlost růstu krystalu lze charakterizovat rychlostí růstu jeho ploch, pod níž rozumíme velikost přírůstku na určité ploše ve směru k ní kolmém za jednotku času (rychlost růstu plochy je tedy dána mocností zóny přirostlé k dané ploše za jednotku času). Rychlost růstu krystalových ploch různých tvarů v určitém časovém intervalu je obecně různá (lze hovořit o anizotropii rychlosti růstu). Plochy s relativně velkou volnou povrchovou energií rostou relativně rychle. Proto jsou tyto plochy při růstu krystalu postupně zatlačovány plochami s relativně malou volnou povrchovou energií, tj. plochami s nižšími rychlostmi růstu. Zatlačování rychle rostoucích ploch na krystalu způsobuje, že se v průběhu růstu krystalu často snižuje počet ploch (tvarů), které jej omezují.

Na obr. 17 je schematicky znázorněn růst části krystalu, který náleží do kubické soustavy. V prvním (nejstarším) vyobrazeném stadiu jde o spojku {100} + {111}, přičemž plochy oktaedru jsou převažujícími plochami na krystalu a plochy hexaedru jsou vyvinuty jen jako drobné plošky utínající rohy oktaedru. Růst krystalu pokračuje připojováním stavebních částic na plochy obou uvedených tvarů. Rychlost růstu ploch obou tvarů je různá - v daném případě rychleji rostou plochy oktaedru než hexaedru. Proto v dalších třech vyobrazených stadiích (v 2. až 4. stadiu) se velikost ploch oktaedru zmenšuje a na spojce se stávají dominantními plochy hexaedru. V 5. až 7. stadiu jde již jen o jednoduchý krystalový tvar {100}, jenž je omezen nejpomaleji rostoucími plochami. Pokud by byla rychlost růstu ploch hexaedru vyšší než rychlost růstu ploch oktaedru, docházelo by při růstu krystalu k postupné redukci ploch hexaedru a v určitém stadiu by krystal získal jednoduchý tvar {111}. - Obecně lze říci, že habitus krystalu závisí na rychlosti růstu krystalu v různých směrech.

Rychlost růstu krystalových ploch (a s ní související pravděpodobnost jejich výskytu a jejich relativní velikost) však nezávisí jen na retikulárních hustotách. Lze to jednoduše dokumentovat na krystalech kubické soustavy: Retikulární hustoty ploch tvarů kubické soustavy klesají v pořadí {100}, {110}, {111}, {210}, {211}, {310} atd. Pokud by rychlost růstu ploch závisela jen na jejich retikulární hustotě, musely by na krystalech minerálu krystalujícího v kubické soustavě vždy dominovat plochy hexaedru. Víme však, že hexaedr není nejběžnějším krystalovým tvarem mnoha kubických minerálů. Například magnetit nebo spinel tvoří obvykle oktaedry {111}, krystaly granátu jsou nejčastěji omezeny plochami rombického dodekaedru {110} nebo tetragon-trioktaedru {211} a na krystalech diamantu zpravidla dominují plochy oktaedru {111}, jež bývají provázeny plochami rombického dodekaedru, hexaoktaedru a jen někdy plochami hexaedru.

Pravděpodobnost výskytu ploch na krystalu se tedy neřídí jen pořadím jejich retikulárních hustot, ale je výrazně ovlivňována i tzv. PBC-vektory. Jsou to vektory vazebných řetězů, které jsou tvořeny nejkratšími (a tedy nejpevnějšími) vazbami v krystalové struktuře. Pořadí důležitosti krystalových ploch roste s počtem vazebných řetězů, které jsou s určitou krystalovou plochou rovnoběžné: plochy rovnoběžné s dvojicí vazebných řetězů bývají vyvinuty výrazněji než plochy rovnoběžné jen s jedním řetězem, plochy rovnoběžné s jedním vazebným řetězem bývají vyvinutější než plochy, které nejsou rovnoběžné s žádným výrazným vazebným řetězem. Na obr. 18 je schematicky znázorněna část krystalu kubické soustavy. Jde o spojku tvarů {100} + {110} + {111}. Nejkratší vazby ve struktuře znázorněného krystalu jsou rovnoběžné s hranami hexaedru, což znamená, že výrazné vazebné řetězy (PBC-vektory) jsou orientovány kolmo k plochám hexaedru - směr těchto vazebných řetězů lze vyjádřit symboly [001], [010] a [100].

Krystal na obr. 18 je omezen třemi typy ploch: "hladkými plochami", které jsou rovnoběžné s dvojicí PBC-vektorů (jde o plochy hexaedru), "stupňovitými plochami", které jsou rovnoběžné s jedním PBC-vektorem (jde o plochy rombického dodekaedru), a "prolamovanými plochami", které nejsou rovnoběžné s žádným významným vazebným řetězem (jde o plochy oktaedru). V našem případě můžeme předpokládat, že na krystalu nejrychleji porostou plochy oktaedru {111}, zatímco nejpomaleji porostou plochy hexaedru {100}. Můžeme tedy očekávat, že během růstu krystalu se spojka {100} + {110} + {111} postupným zatlačováním ploch oktaedru změní ve spojku {100} + {110}; pokud bude růst krystalu dále pokračovat, bude docházet k zatlačování ploch rombického dodekaedru a krystal bude nakonec omezen jen plochami hexaedru, tj. plochami rovnoběžnými vždy s dvojicí PBC-vektorů.

Kromě uvedených strukturních faktorů působí na relativní rychlost růstu různých krystalových ploch na témže krystalu řada dalších faktorů. Rychlost růstu některých ploch mohou pozitivně ovlivnit šroubové, příp. hranové dislokace, umožňující spirálový růst ploch (kapitola 2). Absorpce příměsí určitými plochami se může projevit výraznou změnou v rychlosti jejich růstu a může tak zásadně ovlivnit habitus krystalu - pokud absorpce způsobí snížení rychlosti růstu určitých krystalových ploch, mohou se tyto plochy stát dominantními nebo dokonce jedinými plochami omezujícími tento krystal. Relativní rychlost růstu krystalových ploch je rovněž ovlivňována stupněm přesycení roztoků, jejich celkovým chemismem, teplotou, tlakem a dalšími faktory.

Obr. 19

Výsledky studia sektorové stavby krystalů často svědčí o tom, že relativní rychlost růstu různých krystalových ploch se v průběhu krystalizace mění (mění se poměr rychlostí růstu různých ploch). Na obr. 19 je znázorněna sektorová stavba krystalu kubické soustavy, jenž je spojkou {100} a {111}. Při růstu krystalu na obr. 19a byl poměr rychlosti růstu mezi plochami hexaedru a oktaedru konstantní, a proto jsou jednotlivé sektory omezeny rovnými plochami (tečkováním zvýrazněné růstové pyramidy ploch oktaedru jsou čtyřboké jehlany se čtvercovou základnou). Při růstu krystalu na obr. 19b se poměr rychlostí růstu ploch hexaedru a oktaedru postupně zvyšoval, a proto se v průběhu krystalizace relativně rychleji zvětšovaly plochy oktaedru. Pokud se v průběhu krystalizace poměr rychlosti růstu ploch hexaedru a oktaedru postupně snižoval, zvětšovaly se plochy hexaedru rychleji než plochy oktaedru (obr. 19c).

další »»