枝蔓晶体

更新时间:2023-02-16 15:00

枝蔓晶体(枝晶)是以典型的多枝树状形式发展的晶体。树枝状晶体生长是非常普遍的,并且通过窗口上的雪花形成和霜状图案来说明。树枝状结晶形成自然分形图案。

内容简介

枝蔓晶体是以典型的多枝状树状形式发展的晶体。树枝状晶体生长是非常普遍的,并且通过窗口上的雪花形成和霜状图案来说明。树枝状结晶形成自然分形图案。树枝状晶体可以生长成过冷纯液体或者由于生长速率受限于溶质原子向界面的扩散速率而发生的生长不稳定性。在后一种情况下,必须有从溶液中的过饱和值到与表面上的晶体平衡的浓度梯度。任何突起的发展伴随着尖端浓度梯度陡峭。这增加了对尖端的扩散速率。与此相反的是表面张力的作用趋于使隆起变平,并且将隆起中的溶质原子通量设置到侧面。但是,总的来说,隆起变得放大了。这个过程一次又一次发生,直到产生枝晶。

“枝晶”一词来源于希腊字树突,意思是“树”。在古生物学中,树枝状矿物晶体形式经常被误认为是化石。这些“假化石”形式的岩石中自然形成的裂缝充满了渗透矿物质溶液。当富含和铁的水沿着石灰石和其它岩石层之间的裂缝和层面流动时,它们形成,当溶液流经时,沉积树枝状结晶。

枝晶生长

在日常生活中,经常可以看见树枝一样蔓延生长出来的晶体,称之为枝晶。

其中,最常见的雪花就是枝晶生长的例子。实际上,虽然雪花是大家习以为常,熟视无睹的现象,但是,对于它的形成机理,人们却并不是很了解。我们都知道雪花六出,但是,雪花的形态也并非人们想象的那么简单,它有许许多多不同的形状变化。在放大镜下进行观察,其形态可以用Koch曲线描述。除了雪花,很多金属或者合金也会出现枝晶的形态,比如古代的刀剑剑身那些美丽的花纹,有很多都是由枝晶在点缀。另外,关于枝晶我们常见的还有松花蛋中的美丽图样以及霜花、火山岩等。

就像准晶、海岸线等非平衡系统一样,枝晶也有着分维的特点,属于十分复杂的晶体生长类型。这些图案漂亮的枝晶,是非平衡晶体生长的产物。一般来说,枝蔓晶体的产生和杂质有关。杂质对晶体的生长影响很大,不仅会影响晶体的物理性能,而且会使晶体在生长过程中改变形态形成枝晶。远离平衡条件下的晶体生长也很容易形成枝晶。

矿物学和古生物学

在古生物学中,树状矿物的晶体形态经常被误认为是化石。这些伪化石形成为岩石中天然存在的裂隙,被渗透的矿物质溶液填充。当富含锰和铁的水沿着石灰石和其它岩石层之间的裂缝和层面流动时,它们形成,当溶液流经时,沉积树枝状晶体。涉及多种锰氧化物和氢氧化物,包括:

1.水钠锰矿(Na4Mn14O27·9H2O);

2.铅硬锰矿(PbMn8O16);

3.钾锰矿(KMn8O16);

4.锰钡矿(BaMn8O16);

5.钡硬锰矿((Ba,H2O)Mn5O10);

6.钡镁锰矿((Ba,Mn,Mg,Ca,K,Na)2Mn3O12·3H2O)和其他。

枝晶的三维形式在石英裂隙中形成,形成苔藓玛瑙

结晶学和冶金学

自然界中物质的存在状态有三种:气态液态固态(此处指一般物质,未包括“第四态”等离子体)。固体又可分为两种存在形式:晶体非晶体。晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体;晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

在化学中,枝晶是一种在生长过程中分成两个部分的晶体。

NASA微重力实验

等温树状生长实验(IDGE)是一项材料科学凝固实验,研究人员利用航天飞机的任务来研究可以排除重力影响(液体中的对流)的环境中的树突生长。树枝状凝固是固化金属和合金的最常见形式之一。当材料在一定条件下结晶或固化时,它们不稳定地冻结,产生树枝状形式。科学家们对树突的大小,形状以及树突分支之间的相互作用特别感兴趣。这些特征在很大程度上决定了材料的性质。

科学研究

2022年9月,哈佛大学的科学家为电动汽车(EV)开发了一种新型固态锂金属电池,有望实现3分钟内完全充电。该电池可自我修复,这意味着它的化学成分允许它回填由枝晶产生的孔。

2022年11月,美国麻省理工学院研究人员解释了可充电锂电池“枝晶”的形成原因以及如何防止其穿过电解液的方法。

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