Kristalna struktura je pravilna razporeditev atomov ali molekul v kristalni tekočini ali trdni snovi. Sestavljena je iz osnovnega vzorca urejenih atomov ali molekul - osnovne celice, ki se periodično ponavlja v trodimenzionalni kristalni mreži in ima simetrijske lastnosti.
Osnovne celice so razporejene v vozliščih kristalne mreže. Vozlišča si lahko predstavljamo kot popolnoma enake majhne škatlice, s katerimi je zapolnjen prostor v kristalni mreži. Dolžine robov osnovne celice in kot med robovi so parametri kristalne mreže. Simetrijske lastnosti kristala so odvisne od njegovega kristalnega sistema.
Kristalna struktura in simetrija igrata pomembno vlogo pri določanju kristalovih fizikalnih lastnostih, na primer razkolnosti, zgradbi električnih pasov in optičnih lastnosti, na primer lomnega količnika.
Osnovna celica Osnovna celica je najmanjša ponavljajoča se enota kristalne strukture (mreže).Dobnikar, Meta. Kristalografija Osnovne celice, zložene v prostoru, prikazujejo razporeditev atomov v celem kristalu. Osnovna celica je določena s parametri kristalne mreže, se pravi z dožino robov in koti med njimi, položaji atomov znotraj celice pa so opisani z njihovimi koordinatami (xi,yi,zi), merjenimi iz izhodišča kristalne mreže.
Millerjevi indeksi
sličica|200px|desno|Prikaz določanja indeksov ploskve iz presečišč z osmi: leva ploskev ima indekse (111), desna pa (221) sličica|200px| Kompaktne kristalografske ploskve Vektorje in kristalne ploskve v kristalni mreži se lahko zapiše s troštevilčnimi Millerjevimi indeksi, ki so izračunani z recipročenjem vrednosti odsekov na koordinatnih oseh (Weissovih parametrov) in odpravo ulomkov, če je to potrebno. Millerjevi indeksi ne vsebujejo ulomkov niti skupnega delitelja. Pišejo se v obliki (ℓ m n), na primer (1 1 3).
Ploskve in smeri Kristalografske smeri so navidezne premice, ki povezujejo vozlišča kristala (atome, ione ali molekule), kristalografske ploskve pa navidezne ravnine, ki povezujejo vozlišča. Gostota kristalnih ploskev vpliva na naslednje lastnosti kristala: Optične lastnosti, na primer lomni količnik, ki je neposredno povezan z gostoto ali periodičnim spreminjanjem gostote. Adsorptivnost in reaktivnost: adsorbcija snovi in kemijske reakcije potekajo na ali blizu površinskih atomov in molekul, zato sta oba pojava odvisna od gostote vozlišč. Površinska napetost: kondenzacija snovi pomeni, da so atomi, ioni ali molekule bolj stabilni, če so obdani z drugimi podobnimi delci. Površinska napetost fazne meje je zato odvisna od gostote na površini. Mikrostrukturne napake: pore in kristaliti težijo k ravnim mejam zrn, zato imajo večjo gostoto ploskev. Razkolnost: kristali se običajno koljejo po ploskvah, ki so vzporedne bolj gostim ploskvami. Plastična deformacija: drsenje poteka predvsem po ploskvah, ki so vzporedne z gostejšimi ploskvami.
Kubične strukture
V posebnih primerih enostavnih kubičnih kristalov so mrežni vektorji ortogonalni (pravokotni) in enako dolgi in se običajno označujejo z a. Nekaj podobnega velja za recipročno mrežo. V teh enostavnih primerih Millerjevi indeksi (ℓmn) in [ℓmn] označujejo norname oziroma smeri v pravokotnem koordinatnem sistemu. Za kubične kristale z mrežno konstanto a je razdalja do sosednjih (ℓmn) mrežnih ploskev enaka
Zaradi simetrije kubičnih kristalov je možno spreminjati zaporedje in predznake ℓ, m in n, vse tako dobljene smeri in ploskve pa so ekvivalentne: Koordinate v trikotnih oklepajih, na primer <100>, označujejo družino smeri, ki so ekvivalentne zaradi simetrijskih operacij, na primer , , . Katerakoli vrednost je lahko tudi negativa. Koordinate v zavitih oklepajih, na primer {100}, označujejo družine normal na ploskve, ki so ekvivalentene zaradi simetrijskih operacij. Za ploskovno centrirano kocko in telesno centrirano kocko primitivni mrežni vektorji niso pravokotni. V teh primerih so Millerjevi indeksi po dogovoru definirani z mrežnimi vektorji kubične supercelice in se zato vklapljajo v pravokotni koordinatni sistem.
Razvrščanje Ena od lastnosti, ki definira kristal, je njegova prirojena simetrija, kar pomeni, da ostane kristal pri določenih operacijah nespremenjen. Ena od takšnih operacij je zasuk za 180º okrog določene osi. Če je atomska konfiguracija po takšnem zasuku enaka njegovi izvirni konfiguraciji, ima kristal "dvojno rotacijsko simetrijo" okrog te osi. Kristal ima lahko poleg rotacijske simetrije tudi zrcalno simetrijo, translacijsko simetrijo in simetrijo, ki je kombinacija translacijske in rotacijsko/zrcalne simetrije. Popolna razvrstitev kristala je možna šele takrat, ko so poznane vse njegove prirojene simetrije.Ashcroft, N.; Mermin, D. (1976) Solid State Physics, Brooks/Cole (Thomson Learning, Inc.), Chapter 7, ISBN 0030493463
Prostorske mreže Prostorske mreže so skupine kristalnih struktur, ki so razvrščene glede na koordinatni sistem, ki se uporablja za opis njihove mreže. Vsaka prostorska mreža je opisana s tremi osmi in značilno geometrijsko obliko. Obstoja sedem prostorskih mrež, ki skupaj s podmrežami tvorijo štirinajst Bravaisovih mrež. Prostorske mreže so podobne, vendar ne popolnoma enake sedmim kristalnim sistemom, razporejenih v šest skupin.
Najenostavnejša in najbolj simetrična je kubična ali izometrična prostorska mreža, ki ima simetrijo kocke, se pravi da ima štiri trojne rotacijske osi, med katerimi je kot 109.5° (kot tetraedra). Rotacijske osi ležijo na telesnih diagonalah kocke. Drugih šest prostorskih mrež so heksagonalna, tetragonalna, romboedrična, ortorombska, monoklinska in triklinska prostorska mreža.
Prostorska mreža(od najmanj do najbolj simetrične)Bravaisove mrežeTriklinska 80px|TriklinskaMonoklinskaprimitivnaosnovnocentrirana 80px|Monolinska, primitivna 80px|Monoklinska, centrirana Ortorombskaprimitivnaosnovnocentriranatelesnocentriranaploskovnocentrirana 80px|Ortorombska, primitivna 80px|Ortorombska, osnovno centrirana 80px|Ortorombska, telesno centrirana 80px|Ortorombska, ploskovno centrirana Romboedrična 80px|RomboedričnaTetragonalnaenostavnatelesnocentrirana 80px|Tetragonalna, primitivna 80px|Tetragonalna, telesno centrirana Heksagonalna 80px|HeksagonalnaKubična primitivna telesnocentrirana ploskovnocentrirana 80px|Kubična, primitivna 80px|Kubična, telesno centrirana 80px|Kubična, ploskovno centrirana
Razporeditev atomov Splošen vpogled v geometrijo kristalov in ideje za njihovo vizualizacijo se dobijo z upoštevanjem medsebojne razporeditve atomov, kordinacijskega števila, se pravi števila najbližjih sosedov, razdalje med atomi, vrste vezi itd.
sličica|desno|250px|Heksagonalni gosti zlog (levo) in ploskovno centrirana kocka (desno)
Gosti zlogi Omenjena načela postanejo bolj razumljiva z zlaganjem kroglic enake velikosti v eni ravnini in zlaganjem teh ravnin v trodimenzionalno strukturo. Primer: če ravnina A leži pod ravnino B, se lahko na ravnino B položi dodatno ravnino na dva načina. Prvi način je, da je tretja ravnina točno nad ravnino A. V tem primeru nastane niz ravnin ...ABABABAB.... imenovan heksagonalni gosti zlog (Xh). Če so vse tri ravnine zamaknjene tako, da je točno nad ravnino A šele četra ravnina C, nastane niz ravnin ...ABCABCABC... imenovan kubični gosti zlog (Xc).
Osnovna celica kubičnega gostega zloga je osnovna celica ploskovno centrirane kocke. Takšna struktura ni takoj opazna, ker so plasti gostih zlogov vzporedne z ravninami {111} osnovne celice ploskovno centrirane kocke. Sloji gostih zlogov imajo lahko štiri različne orientacije.
Teoretično zasedenost prostora se izračuna iz celotnega volumna kroglic in volumna celice:
To pomeni, da je največja možna zasedenost prostora osnovne celice iz enako velikih kroglic približno 74 %. Večina kovinskih kristalov elementov ima heksagonalni gosti zlog, kubični gosti zlog ali telesno centrirano kocko. Heksagonalni gosti zlog in ploskovno centrirana kocka imata koordinacijsko število 12 in teoretično zasedenost prostora 0,74.
Bravaisove mreže
Ko se v kristalne sisteme vključijo še vsa možna centriranja mrež, nastane štirinajst Bravaisovih (prostorskih) mrež, ki prikazujejo geometrijsko razporeditev mrežnih točk (vozlišč). Bravaisove mreže se med seboj razlikujejo po svoji translacijski simetriji. Vse kristalinične snovi, ne pa tudi kvazikristali, se ujemajo z eno od teh razporeditev.
Kristalna struktura je sestavljena enakih skupin atomov, ki so razporejeni okrog vsakega in okrog vseh vozlišč. Ta skupina atomov se nato neomejeno ponavlja v vseh treh smereh skladno z eno od štirinajstih Bravaisovih mrež. Značilne rotacijske in zrcalne simetrije skupine atomov ali osnovne celice so opisane z njihovimi kristalografskimi točkovnimi skupinami.
Točkovne skupine Kristalografska točkovna skupina ali kristalni razred je skupina, ki vsebuje takšne simetrijske operacije, da ostane po operaciji na istem mestu vsaj ena točka, videz kristala pa ostane nespremenjen. Takšne simetrijske operacije so: zrcaljenje, ki prezrcali zgradbo preko zrcalne ravnine, rotacija, ki zasuče strukturo za določen del kroga okoli rotacijske osi, inverzija, ki spremeni predznak koordinat vsake točke glede na središče simetrije ali inverzijsko točko on nepravilna rotacija, ki je sestavljena iz rotacije okoli osi, kateri sledi inverzija. Rotacijske osi, pravilne in nepravilne, zrcalne ravnine in centri simetrije imajo skupno ime simetrijski elementi. Obstoja 32 možnih kristalnih razredov, razvrščenih v sedem kristalnih sistemov.
Prostorske skupine Prostorska skupina kristalne strukture je sestavljena iz translacijskih simetrijskih operacij, ki sledijo operacijam točkovnih skupin. Operacije vključujejo: čiste translacije, ki premaknejo točko vzdolž vektorja, vijačne osi, ki zasučejo točko okrog osi in jo istočasno premaknejo vzdolž drsne ravnine simetrije, drsne ravnine, ki premaknejo točko vzporedno z drsno ravnino in jo istočasno prezrcalijo skozi drsno ravnino. Obstoja 230 različnih prostorskih skupin.
Meje zrn
Meje zrn ali meje kristalitov so stične ploskve identičnih, vendar različno orientiranih kristalov. Področja meja zrn vsebujejo atome, ki so izrinjeni iz svojih pravih položajev v kristalni mreži, dislokacije in nečistoče, ki so migrirale na energijsko siromašnejšo fazno mejo.
Z geometrijskega stališča je meja zrna vmesna ploskev v posameznem kristalu, ki je prerezan na dva dela, od katerih je eden zasukan. Za opis takšnega stanja je potrebnih pet spremenljivk: prvi dve spremenljivki izhajata iz enotskega vektorja, ki specificira osi rotacije, tretja opisuje kot zasuka zrna, zadnji dve pa specificirata ravnino meje zrna oziroma enotski vektor, ki je normalen na to ravnino.
Meje zrn ovirajo gibanje dislokacij skozi snov, zato je zmanjšanje velikosti zrn eden od pogostih načinov za izboljšanje mehanskih lastnosti snovi. Ker so kristalne meje napake v kristalni strukturi, težijo k zmanjšanju električne in toplotne prevodnosti snovi. Velika medploskovna energija in relativno šibke vezi na večini meja zrn imajo za posledico, da je meja zrn bolj dovzetna za korozijo in odlaganje novih faz iz trdne snovi. Meje zrn so odgovorne tudi za mnoge mehanizme polzenja.
Meje zrn so običajno široke samo nekaj nanometrov. V večini snovi so zrna dovolj velika, da meje zrn predstavljajo samo majhen del celotnega volumna, nekatere snovi pa imajo tudi zelo drobna zrna. V nanokristaliničnih trdnih snoveh zavzamejo meje zrn velik del volumna snovi, kar močno vpliva na njihove lastnosti, na primer na difuzijo in plastičnost. Ko se delež meja zrn približa 100 %, snov izgubi svoje kristalinične lastnosti in postane amorfna trdna snov.
Defekti in nečistoče Realni kristali imajo defekte oziroma nepravilnosti, zato odstopajo od opisanih idealnih struktur. Defekti v kristalni strukturi so "šibke točke" kristala, ki lahko odločilno spremenijo mnoge mehanske, električne in termične lastnosti realnih snovi.Nikola Kallay (2000) Interfacial Dynamics, CRC Press, ISBN 0824700066