化学徒の備忘録

化学系の用語や記事や論文をわかりやすく紹介します

結晶・単結晶・多結晶・微結晶についての解説

単結晶と多結晶について解説する。そのまえに、結晶とはどういったものかを確認しよう。

結晶とは

固体のなかでも、その固体の内部を構成している原子や分子、イオンの配列が三次元の周期性をもつものを結晶 (crystal)という。

逆に固体の内部を構成している原子や分子、イオンの配列が三次元の周期性をもたないものは非晶質 (amorphous、アモルファス) とよばれる。例えばガラスは非晶質な物質として有名である。

結晶の三次元的な配列は空間格子 (結晶格子)とその対称性によって幾何学的に表現される。この周期性と対称性のために、結晶は光沢のある結晶面で囲まれ、はっきりした稜 (角、かど) をもち、対称的な形をしたものが多い。ただし、実験でこういった特徴をもつ固体が得られても、それが結晶であるかどうかはX線回折測定などの測定で調べなければわからない。

 単結晶とは

一般的には、一つの固体全体にわたって、結晶の格子構造が保たれているものを単結晶 (single crystal) という。

しかし、厳密には一つの固体全体にわたって、結晶の格子構造が保たれているものは完全結晶 (perfect crystal)という。この完全結晶は、格子欠陥をいっさい含まない結晶ということになるが、有限温度では熱力学の第二法則に反するために存在しないと考えられている仮想的な結晶である。

実際の単結晶は、結晶全体にわたって厳密な三次元的周期構造をもっておらず、なんらかの不完全性をもっている。そのため単結晶は微小な完全結晶 (モザイク片) の集合として考えられ、このように近似するモデルをモザイク結晶 (mosaic crystal) という。つまり実際の単結晶は、1度以下のごくわずかに方位の違う結晶ドメインの集合体である。

多結晶とは

単結晶の反対の言葉として多結晶 (polycrystal) がある。

微小な結晶粒子がいろいろな方位で集まっている固体のことを多結晶という。

多結晶を構成している微粒子の大きさや、方位はさまざまである。また多結晶では微結晶同士は互いに固着して、一つの固体となっている。この微結晶の境界のことを結晶境界という。 

微結晶とは

微結晶には、クリスタリット (crystallite)という意味で用いられる場合と微小結晶 (microcrystal) という意味で用いられる場合がある。

クリスタリットは、多くの高分子の固体のように分子が規則的に配列している領域と乱れた領域が混在している場合に、規則的に配列している部分のことをいう。

微小結晶 (microcrystal) は微小な結晶のことであり、多結晶やモザイク結晶の構成成分として用いられる言葉だが、厳密な定義が存在しているわけではない。