ДВОЙНИКИ

ДВОЙНИКИ

ДВОЙНИ́КИ, закономерные сростки двух однородных кристаллов (см. КРИСТАЛЛЫ), в котором один кристалл отличается от другого зеркальным отражением в плоскости симметрии (см. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ) (плоскость двойникования), или поворотом вокруг оси симметрии (ось двойникования) или — редко — отражением в центре инверсии. У центросимметричных кристаллов отражение в плоскости симметрии и поворот вокруг оси симметрии эквивалентны, у ацентрических эти преобразования приводят к разным законам двойникования. Двойниковой плоскостью может служить любая возможная грань кристалла, кроме грани, параллельной плоскости симметрии одиночного кристалла, двойниковой осью — любое ребро или нормаль грани, или нечетная ось симметрии одиночного кристалла. Индивиды двойника можно вывести друг из друга операциями симметрии, но двойниковый сросток должен иметь собственные элементы симметрии, отличающиеся от элементов симметрии кристаллов, по крайней мере, по своей ориентировке. Совпадение по ориентировке двойниковых и аналогичных собственных элементов симметрии кристаллов невозможно. В противном случае при проведении операции симметрии мы получим образ индивида в исходной ориентировке. Двойники, в отличие от параллельных сростков, представляют собой результат нарушения правильности упаковки частиц в структуре. Ориентировка двойниковых элементов симметрии по отношению к граням, ребрам или элементам симметрии кристаллов определяет закон двойникования. Плоскость, по которой контактируют индивиды двойника, в минералогии называется плоскостью срастания, а ее проекция на поверхность двойника — двойниковым швом. Как и в параллельных сростках, плоскость срастания индивидов не является фазовой границей. Вдоль этой плоскости происходит симметричный разворот или отображение структуры кристалла, но не происходит разрыва химических связей. Плоскость двойникования, как и грань кристалла, соответствует какой-либо плоской сетке кристаллической решетки.
Симметрия двойников исчерпывающе описывается с помощью законов черно-белой симметрии (см. АНТИСИММЕТРИЯ). Если условно считать индивиды двойникового сростка как «черный» и «белый», то двойниковые оси, плоскости и центр симметрии являются элементами антисимметрии. В отличие от обычных элементов симметрии двойниковые элементы симметрии обозначаются теми же символами, но со штрихом: m", 2". Взаимодействие двойникующих элементов симметрии с элементами точечной группы кристалла порождает «двойниковую» черно-белую группу симметрии. В двойниковую группу переходят лишь те элементы симметрии индивида, которые по своему типу и расположению кристаллографически совместимы с двойникующими элементами симметрии. Эти элементы симметрии индивида образуют так называемую сохранившуюся подгруппу, порядок которой должен быть в два раза меньше порядка возникающей двойниковой группы.
Для каждого класса симметрии существуют свои типы двойникования. Некоторые из них характерны для каких-либо веществ, особенно минералов, и получили название законов двойникования по типичному кристаллу либо по месторождению, в котором находят двойниковые кристаллы. Для кубических кристаллов характерны: двойники по алмазному закону, где два кристалла срастаются по плоскостям {100}; двойники по пиритовому закону, где два пентагондодекаэдра {210} прорастают друг в друга, образуя конфигурацию, похожую на крест; двойники по шпинелевому закону — срастание грани (111) с поворотом на 180° вокруг оси 3, нормальной к грани октаэдра. Перечисленными законами двойникования не исчерпываются многообразные законы двойникования кубической сингонии. Кристаллы со структурой алмаза весьма склонны к двойникованию. В полупроводниковых кристаллах германия, кремния, фосфида индия встречаются двойники с плоскостью двойникования {123}; плоскости двойникования могут иметь и более высокие индексы, особенно в так называемых двойниках высокого порядка. Законы двойникования у кристаллов кварца особенно многообразны из-за явления энантиоморфизма (см. ЭНАНТИОМОРФИЗМ), т.е. наличия правых и левых кристаллов.
Для сдвойникованных кристаллов характерно (но не обязательно) существование входящих углов, тогда как у монокристаллов простой формы возможны только выступающие вершины. Реальная поверхность раздела обеих частей двойника может быть плоской, многогранной или криволинейной.
По способу образования выделяют двойники роста, механические двойники и трансформационные двойники.
Двойники роста
Образуются путем срастания двух индивидов в двойниковом положении или взаимного прорастания одиночных кристаллов в процессе роста, причины и механизмы этого явления не совсем понятны.
Трансформационные двойники
Возникают при перестройке структуры уже образованного кристалла. Например, высокотемпературный кварц имеет гексагональную симметрию. При охлаждении происходит полиморфный переход в низкотемпературную тригональную модификацию. В результате различные тригональные участки получаются повернуты друг относительно друга на 180° относительно L3, что соответствует дофинейскому закону.
Механические (деформационные) двойники
Возникают под действием механических нагрузок в процессе пластической деформации. т. е. уже после образования кристалла. Они образуются в результате механических деформаций в том случае, когда атомы соседних плоских сеток могут проскальзывать друг относительно друга. Часто в результате деформационного двойникования возникают полисинтетические двойники, ориентировка индивидов в которых повторяется через один индивид. Примером деформационных двойников служат кристаллы кальцита из мраморов, пород, образовавшихся при высоком давлении и температуре.
Механическое двойникование — это деформация, в результате которой две части кристалла оказываются в положении зеркально-симметричном или повернуты относительно оси второго порядка. Например, если на ребро ромбоэдра кальцита нажать острием ножа, то часть кристалла перекидывается в двойниковое положение.
Связь с другими видами деформаций
Двойникование играет сравнительно небольшую роль в деформации и проявляется обычно лишь тогда, когда деформация скольжением затруднена. Кристаллами, у которых двойникование идет легче, чем скольжение, являются кварц (см. КВАРЦ) и кальцит (см. КАЛЬЦИТ). Двойникованию способствуют низкая температура и ударное нагружение, так как с понижением температуры и увеличением скорости деформации критическое напряжение для скольжения растет быстрее, чем для двойникования. Среди кристаллов металлов двойникование легче всего идет в гексагональных металлах, несколько труднее в металлах с объемно-центрированной кубической решеткой, и труднее всего в гранецентрированных кубических металлах. Если скольжение, как правило, можно вызвать деформацией в прямом и обратном направлениях, то двойникование — лишь в случае, если деформация производится в одном направлении. При деформации в противоположном направлении в сдвойникованном кристалле восстановится форма. У некоторых низкосимметричных кристаллов при деформировании в одном направлении происходит двойникование, а в противоположном — скольжение.
Полисинтетические двойники
В двойниковом положении могут срастаться не только два, но и несколько кристаллов, образуя тройники, четверники и т. п. У некоторых веществ образуются полисинтетические двойники, состоящие из многих тонких пластинок чередующихся двойниковых ориентаций. Типичными представителями кристаллов, склонных к разбиению на полисинтетические двойники, являются кристаллы сегнетовой соли, титаната бария и другие сегнетоэлектрики (см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ). Компоненты полисинтетических двойников у них одновременно являются сегнетоэлектрическими доменами. В результате механических воздействий, нагревания или прикладывания электрического поля происходит рост доменов одного знака за счет других доменов. Полисинтетические двойники в ферромагнетиках являются ферромагнитными доменами — в соседних двойниковых компонентах векторы спонтанной намагниченности ориентированы различным образом. Склонность к полисинтетическому двойникованию имеют также некоторые сплавы (In-Cd, Cu-Mn, Cr-Mn, Au-Cd, In-Tl и др.).