Кристаллическая материя

Как правило, примеси взаимодействуют с дефектами кристаллов, что наглядно видно на ямках травления. Перспективным методом для наблюдения дефектов кристаллической структуры на атомном уровне служит ионная микроскопия. Современные электронные микроскопы позволяют получать раздельное изображение двух точек, удаленных друг от друга на стомиллионные доли сантиметра. С помощью обычных электронных микроскопов с напряжением 50—100 тыс. вольт невозможно получать хорошее изображение, если «толщина»  объекта исследования превышает десятитысячные доли миллиметра.

Однако изучение «кристаллической материи», т. е. металлов и их сплавов, требует, чтобы «толщина» объекта составляла несколько тысячных долей миллиметра, а для органических веществ даже сотые доли миллиметра. Этого можно добиться с помощью потоков электронов в электронном микроскопе с напряжением более 1 млн. в. Такие гигантские микроскопы стоят очень дорого, но уже производятся в Японии, США, Франции, Англии. Современная физико-химия металлов исходит из положения, что любые свойства металлических материалов целиком определяются их  природой, структурой и условиями испытания или работы.

Современная наука представляет себе твердый металл как совокупность сложенных в пространственную решетку положительно заряженных ионов, между которыми свободно движутся коллективизированные электроны проводимости (электронный газ или электронная жидкость).

Наличие свободных электронов, металлический тип связи, именно они и определяют специфические для металлов в твердом состоянии («металлические») свойства: высокую пластичность, металлический блеск, электропроводность, в том числе и сверхпроводимость, положительный температурный коэффициент электросопротивления, термоэлектронные и термоэлектрические свойства. Еще М. В. Ломоносов говорил: «Металлами называются светлые тела, которые ковать можно». Все последующее развитие науки и техники подтвердило это гениальное предвидение. Теперь можно только добавить: металл есть твердое тело, обладающее поверхностью Ферми.

Принципиальное научно-познавательное значение имеет ответ на вопрос: «Идеальный металлический кристалл должен быть идеально прочен или пластичен?» Дело в том, что согласно теории дислокаций идеальный кристалл должен быть абсолютно прочен (но это никем еще экспериментально не доказано), а, с другой стороны, повседневная жизнь на тысячах примеров убеждает нас в том, что всегда по мере очистки металлов их критическое скалывающее напряжение непрерывно убывает и составляет десятки граммов на квадратный миллиметр. Образцы некоторых чистых металлов изгибаются даже под влиянием собственного веса. Поэтому для физико-химии металлов и металловедения принципиально важно получить чистейший бездислокационный металлический кристалл и исследовать его свойства. Бездислокационный полупроводник (кремний) уже получен.

Совершенно очевидно, что примеси даже при небольших содержаниях возмущают электронно-ионную структуру металла, связывают какую-то часть свободных электронов и тем самым приводят к наличию, помимо чисто металлической, других типов межатомной связи. Это вызывает частичную «порчу» металлических свойств (уменьшение электропроводности, ковкости и т. п.). При больших содержаниях и расположении по границам зерен в виде самостоятельных фаз, например в виде пленок, примеси уже механически отделяют металлические кристаллиты друг от друга и уменьшают силу их сцепления.