Krystallisation, dannelse af fast stof i krystallinsk form fra opløsning, smelte eller gasfase. Den termodynamiske drivkraft til krystallisation er, at et systems fri energi kan nedsættes, når dets tilstand fx gennem overmætning eller underafkøling oprindelig afviger fra ligevægt. Krystallisation har mange vigtige industrielle og videnskabelige anvendelser. Naturlige krystallisationsprocesser forekommer fx ved dannelse af bjergarter, malme, meteoritter og snekrystaller samt ved biomineralisering.
krystallisation
Søpindsvinepig og et såkaldt Laue-foto af den. Laue-fotoet er optaget, ved at man har placeret piggen i et smalt røntgenstrålebundt parallelt med pigaksen. Den spredte stråling, røntgenreflekserne, er afbildet på en film vinkelret på strålebundtet. Laue-fotoet viser, at piggen er en enkrystal med piggen som tretalssymmetriakse. Andre røntgendiffraktionsoptagelser viser, at piggen består af calcit.
Elektronmikroskopbillede af en paraffinkrystal med vækstspiral hidrørende fra en enkelt skruedislokation. Billedet er forstørret 15.000 gange. Foto fra Charles Bunn Crystals: Their Role in Nature and in Science (1964).
En byggesten, der træffer en glat krystalflade, forlader ikke uden videre krystallen igen, når den løsner sin tilfældige binding. Den hopper til analoge positioner og vandrer på den måde rundt på krystalfladen, indtil den eventuelt kommer frem til et trin eller et hak, hvor den definitivt fanges.
Kimdannelse
Krystallisation begynder med dannelse af små krystalkim. Homogen kimdannelse sker, ved at krystallens byggestene (atomer, ioner eller molekyler) gennem statistiske fluktuationer forener sig. Det kræver høj renhedsgrad og stor afvigelse fra ligevægt. Den primære kimdannelse er derfor oftest heterogen, dvs. den finder sted på fremmedoverflader, eksempelvis urenhedspartikler i moderfasen. Herved reduceres den kritiske kimstørrelse. Fragmenter af krystaller, der opstår ved kollisioner indbyrdes eller mod beholdervægge, resulterer i sekundær kimdannelse, som ofte er fremherskende ved mængdekrystallisation.
Krystalvækst
En krystal vokser ved tilførsel af byggesten fra moderfasen, ofte gennem en kombination af diffusion og konvektion. En byggesten, der havner på en krystalflade, vil kun kunne fastholdes, hvis den kan bevæge sig hen til et trin eller et hak, hvor den bindes til flere krystalenheder. Vækst på en perfekt krystalflade kræver derfor dannelse af overfladekim over en vis kritisk størrelse. Kimets kanter udgør et trin for videre vækst.
Ved krystalvækst fra smelte er tilførselshyppigheden af byggesten og overfladediffusion maksimal. Den vækstbegrænsende faktor vil da ofte være bortskaffelse af latent smeltevarme, der frigøres ved størkning. Ved høje væksthastigheder kan frigivelse af store mængder latent varme føre til dendritisk vækst, hvor ethvert fremspring på krystalfladen vil vokse hurtigere end naboområderne.
Dyrkning af enkrystaller
Produktion af mange elektroniske og optiske komponenter er baseret på store, næsten perfekte enkrystaller. Dyrkning af enkrystaller begynder almindeligvis med vækst på podekrystaller af det pågældende stof. Kimdannelse i moderfasen må undertrykkes, og tilgang af byggesten til den voksende krystal kontrolleres. Væksten ved krystaldyrkning fra opløsning er meget langsom, hvis den skal resultere i krystaller af høj kvalitet. Derimod muliggør krystalvækst fra smelte både høje væksthastigheder og høj kvalitet. Det udnyttes især ved dyrkning af krystaller af metaller og halvledere.
Krystaldyrkning i vægtløs tilstand
Ved krystaldyrkning fra opløsning og smelte er tilførsel af byggesten gennem konvektion en faktor, som er vanskelig at kontrollere. Konvektionsstrømme forårsages af tyngdekraftens indvirken på massefyldevariationer i moderfasen. For at undertrykke konvektion er der udført forsøg med krystaldyrkning i satellitter i rummet under praktisk taget tyngdefri forhold. Herved sker tilførsel af byggesten til krystallen udelukkende ved diffusion.
Kommentarer
Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.
Du skal være logget ind for at kommentere.