Дефекты кристаллов как носители наследственных признаков в твёрдых телах

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2013, том 56, №7________________________________

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 544.2.575.1

Т.Д.Джураев, Э.Р.Газизова, М.Т.Тошев, Ф.Т.Мухамедов ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ КАК НОСИТЕЛИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ

Таджикский технический университет им. академика М.Осими

Используя теорию кристаллизации и правила четырёхэлектронных и полновалентных химических элементов и их соединений показано, что дефекты, возникающие в кристаллах при затвердевании, например химических элементов или соединений, выполняют роль элементов-создателей наследственных признаков и носителей генетической информации.

Ключевые слова: дефекты кристаллов - элементы-создатели наследственной информации - четырёхэлектронные и полновалентные правила химических элементов и их соединений - физическая наследственность.

Известно[1], что дефекты в кристаллах подразделяют на нульмерные, одномерные и двумерные. Нульмерными или, как их ещё называют, точечными бывают энергетические, электронные и атомные дефекты. Энергетические дефекты - это временные несовершенства решётки (возбуждённое состояние), вызываемые внешним воздействием. К электронным дефектам относятся избыток или недостаток электронов. Атомные дефекты трактуются как вакансии или междоузельные атомы. К одномерным (линейным) дефектам относятся дислокации, а двумерные (плоскостные) дефекты - это есть граница между зёрнами кристалла или ряды линейных дислокаций. Наличие такого разнообразия дефектов вызывает многочисленные изменения в физических, химических и механических свойствах кристалла. Примером того является умение закономерно распределять дефекты по объёму кристалла, что позволяет создавать области с разными типами проводимости (электронного или дырочного механизма), а это является важным при изготовлении полупроводниковых приборов. Другим примером влияния дефекта на свойство кристалла может быть наибольшее упрочнение металла при увеличении плотности дислокации порядком 1012-1013 см2, чего невозможно наблюдать при дальнейшем повышении плотности дефекта в структуре кристалла.Таким образом, дефекты имеют способность вносить определённый вклад в формирование кристалла любого вещества с заданными свойствами.

Для нас является важным определение воздействи образующихся дефектов при росте кристалла как нечто потомственное в структуре твёрдого тела, возникающее и ведущее за собой определённое начало. Именно этому посвящена данная работа.

Адрес для корреспонденции: Джураев Тухтасун Джураевич, Газизова Эльвира Рашитовна. 734042, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр. акад. Раджабовых, 10, Таджикский технический университет. E-mail: mcm45@mail.ru; Тошев Мансур Толибджонович. 734042, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр. акад. Раджабовых, 10, Таджикский технический университет. E-mail: toshev1102@mail.ru.

Учитывая, что процесс отвердевания обычно изучают на примере кристаллизации с фазовыми превращениями (ФП) первой и второй групп [2,3], следует отметить, что приобретение веществом при затвердевании определённого типа кристаллической структуры подчиняется Периодическому закону строения элементов Д.И.Менделеева и закону межатомного взаимодействия. Для ФП первой группы характерно отсутствие явлений метастабильного состояния. Например, перегреть твёрдое вещество выше его температуры плавления без перехода в другое агрегатное состояние невозможно. Напротив, ФП второй группы сопровождаются обычно явлениями перегрева или переохлаждения и реализациями метастабильного состояния. При ФП второй группы должен преодолеваться некоторый энергетический барьер, которого нет в случае ФП первой группы (см. рис.1, а), ФП второй группы начинаются в глубине уже существующей эмбриональной фазы, несущей генетический код будущего вещества. Здесь возникают дозародыши - микроскопические образования, которые превращаются в пузырьки газа, капельки жидкости или кристаллы, то есть в зародыши новой фазы, с уже унаследованными свойствами, что согласуется с механизмом проявления физической наследственности в неорганической природе [2].Следовательно, для ФП второй группы неизбежен переход через промежуточное микрогетерогенное состояние, обладающее повышенным запасом свободной энергии по сравнению с начальным и конечным состояниями вещества.

Рис. 1. а - два типа фазовых превращений при кристаллизации (I - первого рода; II - второго рода) и б - схема приобретённого тетраэдрического строения ковалентной связи углерода, кремния, германия и

олова (серого).

Иными словами, определяющее влияние на формирование структуры твёрдого вещества оказывает его энергетическое состояние. Вместе с тем здесь действуют и другие факторы, например природа структурных единиц, их состав, строение, форма, размеры, а также очень важный фактор -природа химической связи [3].

Например, наиболее чаще проявляющаяся валентность углерода - это четыре, образованная в результате перехода атома углерода в возбуждённое состояние. В решётке алмаза углерод имеет че-

тыре валентных электрона и он может образовать четыре ковалентные связи с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра (см.рис.1, б). При этом электронная структура атома углерода меняется за счёт гибридизации в направлении: 1s22s22p2^1s22s2p3. Такая конфигурация sp3-связи в вершинах тетраэдра является энергетически выгоднее и прочнее исходной (см.табл.1). Аналогичную структуру имеют кристаллы Si, Ge и серого Sn (см.рис.1, б).

В кристаллической решётке, похожей по форме и способу образования валентных связей на структуру алмаза, образуются двойные, тройные и более сложные соединения. Их структуры имеют координационное число, равное четырём, а координационным многогранником является тетраэдр (см. табл.1). Все эти элементы и соединения проявляют по своей природе полупроводниковые свойства, что указывает на прямую связь между строением структуры и свойствами веществ.

Таблица 1

Характеристики генов - носителей наследственной информации в кристаллах твёрдых веществ

КЧ Используемые атомные орбитали Образующаяся гибридная орбиталь Пределы устойчивости химикоструктурированных единиц наследственности (ХСЕН) (г3: гк) Гены

4 sp3, sd3,sp2d Т етраэдрическая 0.225-0.415 ТСЕН

6 s2p4, s2d4,spd4, sp3d2 Октаэдрическая 0.415-0.732 ОСЕН

Примечание: КЧ - координационное число; га - радиус аниона; гк - радиус катиона; ТСЕН - тетраэдрическая структурированная единица наследственности; ОСЕН - октаэдрическая структурированная единица наследственности.

В периодической системе Д.И.Менделеева есть ещё группа простых элементов, электронное строение которых имитируется более сложными фазами, кристаллизующимися в октаэдрической структуре - это благородные газы, характеризуются проявлением диэлектрических и диамагнитных свойств.

Ранее в работах [2, 3] отмечалось, что в предсказании свойств простых и сложных веществ важная роль принадлежит химико-структурированным единицам наследственности (ХСЕН) - генам, которые определяют природу, строение и назначение образующихся фаз (см.табл.1) .

Так как перед нами стояла цель обосновать предположение о том, что дефекты, возникающие в кристаллах при затвердевании, например химических элементов или соединений, выполняют роль элементов-создателей наследственных признаков и носителей генетической информации, мы воспользовались четырёхэлектронным и полновалентным правилами химических элементов и их соединений. Подчинение им может быть основанием для утверждения имитации структуры элементов четвёртой и восьмой групп периодической таблицы с ТСЕН и ОСЕН, соответственно.

Представим формулу химического соединения в виде

дМр>ЛГ ЛП1 ° п,

где А и В - взаимодействующие химические элементы, М и N - их валентности (положительные), а т и п - стехиометрические коэффициенты (целые числа).

Исследуя структуры химических соединений, насыщенных дефектами, нетрудно представить образование соединений с формулами ; и , где

() - вакансия, (•) - междоузельный атом (внедрение) и р/(т + п) - степень дефектности структуры

соединения А^В ^. При этом электронная концентрация соединений может быть определена из уравнения:

Q=

Используя выражение (1) для выполнения четырёхэлектронного правила, можно получить формулу:

Q=

Для полновалентного правила подобное выражение имеет вид

тМ=п

При рассмотрении соотношений (2) и (3) возможны их квантовохимическая и кристаллохимическая трактовки, в результате которых эти понятия объединяются и выражаются как класс четырёхэлектронно-полновалентных соединений [4], являющихся одновременно аналогами углерода и благородных газов, имеющих ТСЕН и ОСЕН, соответственно.

Можно показать, что четырёхэлектронные двухкомпонентные соединения имеют также прототипы среди элементов других групп периодической таблицы. Для этого следует воспользоваться дефектностью соединений за счёт образования в их структуре внедрений или вакансий. Например, в

табл. 2 нейтрон трактуется как А0(п0),а элементы от I до IV и от IV до VIII групп периодической таб-

лицы как четырёхэлектронные соединения с внедрениями и вакансиями, соответственно.

Таблица 2

Химические элементы Периодической таблицы Д.И.Менделеева как дефектные четырёхэлектронные

двухкомпонентные соединения

т/п Химический элемент Дефектное четырёхэлектронное соединение т/п Химический элемент Дефектное четырёхэлектронное соединение

Структуры с внедрениями

- А0(п0) пи«° 0 Б1У ( )оБ1"

1/3 А1 Л1(^)1э 1/4 Бу ( )В4"

1 А11 Л»11 1/2 ВУ1 ( )В2"1

3 А111 Л3ш(-)ш 3/4 В VI! ( №4^

да Л1У л»о“ 1 ВУ111 ( )Б'/111

Можно видеть, что взаимный переход от элементов к четырёхэлектронным соединениям, и обратно, осуществляется путём отнесения числа валентных электронов к числу регулярных позиций с тетраэдрической и октаэдрической структурой, то есть ТСЕН и ОСЕН, соответственно,так как полновалентные соединения можно трактовать как четырёхэлектронные дефектные соединения [5].

Таким образом, на основании приведённых аналогий характеристик структуры кристаллов твёрдых тел можно утверждать,что наряду с атомами, молекулами, ионами, радикалами и зёрнами [6] дефекты могут быть элементами-создателями наследственных признаков и носителями генетической информации различных физико-химических, механических и электронных свойств кристаллов твёрдых веществ.

Поступило 22.05.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физика твёрдого тела. - М.: Высшая школа, 1971, 224 с.

2. Джураев Т.Д., Газизова Э.Р., Тошев М.Т. - ДАН РТ, 2012, т.55, № 5, с. 398-402.

3. Джураев Т.Д., Газизова Э.Р., Хакдодов М.М. Физико-химические основы наследственности в неорганической природе. - Германия: LAPLAMBERT Academic Publishing GmbH&CoKG, 2011, 128 с.

4. Вигдорович В.Н., Джураев Т.Д., Ханин В.А. - Известия АН СССР. Неорганические материалы, 1989, №1, с.71-75.

5. Горюнова Н.А. Химия алмазоподобных полупроводников. - Л.: ЛГУ, 1963, 386 с.

6. Джураев Т.Д., Газизова Э.Р.,Тошев М.Т- МатериалыГУ Всеросс. с междунар. участием научной Бергмановской конференции «Физико-химический анализ: состояние, проблемы, перспективы развития». - Махачкала: Даггоспедуниверситет НИИ ОНХ, 2012, с.211-215.

Т.Д.Чураев, Э.Р.Газизова, М.Т.Тошев, Ф.Т.Мухамедов НУЦСОЩОИ КРИСТАЛЛ ДОРОИ ЗУХУРОТИ АЛОМАТ^ОИ ИРСЙ ДАР ЧИСМ^ОИ САХТ

Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.Осими

Аз руи назарияи кристаллизатсия ва коидах,ои мавчудбуда оиди пайвастагих,ои чорэлек-трона ва валентнокиашон пурра нишон дода шудааст, ки нуксонх,ои кристалл дорои аломатх,ои ирсии чисмх,ои сахт мебошанд.

Калима^ои калиди: нуцсон^ои кристалл - элементуои-пайдокунандаи маълумотуои ирси -цоида^ои чорэлектрона ва валентнокиаш пурраи элементной кимиёви ва пайвастагиуои ощо -ирсияти физикави.

T.J.Juraev, E.R.Gazizova, M.T.Toshev, F.T.Muhamedov CRYSTAL DEFECTS AS A CARRIER OF HEREDITARY CHARACTERISTICS IN SOLIDS

Academician M.Osimi Tajik Technical University Using the theory crystallization and four-electron rule full-valencechemical elements and their compounds showed that the defects occur during the solidification of crystals, for example, chemical elements or compounds that act as elements creators carriers of hereditary traits and genetic information.

Key words: crystal defects - elements-creators of hereditary information - the four-electron andfull-valence rules of chemical elements and their compounds - physical heredity.

5б8