Завершенные узлы, объединяющие по четыре атома, располагаются внутри кристалла, а на его поверхности они — некомплектные; их доукомплектование и есть рост кристалла. Представим себе незавершенный узел, объединяющий только три атома углерода; у него слипшимися будут только две пары петель, а оставшиеся две петли от встречно расположенных атомов будут прикрыты атомами водорода. Также прикрытыми будут петли того атома углерода, который должен присоединиться к данному узлу. Учитывая то, что метан в сложившихся условиях рождения кристалла находится в предплазменном состоянии, когда атомы водорода еле-еле удерживаются на своих местах, присоединяемый атом углерода под воздействием давления отжимает атомы водорода и замыкает своими петлями освободившиеся петли узла; узел становится завершенным.
Не будет особых проблем и при доукомплектовке узла из двух атомов при дополнении его третьим, уже встроенным в кристалл и готовым к присоединению; этому третьему атому не остается ничего другого, как искать своим свободным концом возможности присоединения к некомплектному узлу, и он ее находит.
Труднее всего происходит зарождение нового узла; здесь возможны два варианта, один из которых кристаллу неприемлем; встает вопрос: как он избегает его? Неприемлемым является соединение петель однонаправленными сторонами, например наружной с наружной или внутренней с внутренней. Значит, если на свободном конце атома углерода — петли с внутренними присасывающими сторонами, то первое подсоединение к нему должно быть петель другого атома с внешними сторонами. Остается предположить, что в случае зарождения нового узла с неправильным подсоединением очередного атома (а таких случаев — половина от общего числа) не может возникнуть комбинация с встраиванием ее в кристалл, и она рано или поздно будет разрушена. И только при правильном зарождении узла атомы углерода, его образующие, встраиваются в кристалл, и там они чувствуют себя в безопасности.
Рост кристалла прекращается тогда, когда физические условия изменяются настолько, что не отвечают требованиям роста. Какие это условия? Мы их уже упоминали: во-первых, они должны создавать предплазменное состояние исходного материала; во-вторых, они должны разрушать неправильные комбинации атомов и, в-третьих, они должны быть бессильны разрушить правильно соединенные атомы. Получается так, что физические параметры условий роста кристалла алмаза должны укладываться в определенный интервал: не ниже и не выше. Если не будут выполняться эти требования, то и большого кристалла не будет. Особенно обращаем внимание на второе условие — на разрушение неправильных комбинаций; реализовать его в условиях производства искусственных алмазов можно простым механическим перетиранием кристаллов, дробящим неправильные из них, и не приносящим вреда полноценным.
После завершения роста кристалла алмаза все его поверхностные узлы будут недоукомплектованы; это означает, что он будет окружен «щетиной» из незамкнутых между собой петель атомов углерода. В естественных условиях петли притягивают к себе любой окружающий мусор и делают алмаз невзрачным. При огранке мусор удаляется и замещается прозрачным веществом. Если очищенный кристалл ничем не покрыть, то он скоро снова обрастает мусором.
Предложенная модель кристалла хорошо согласуется с физическими характеристиками алмаза. Его твердость выражается в том, что он не способен пластически деформироваться и противостоит механическому разрушению. Объясняется это тем, что атомы углерода в кристалле не имеют возможности изменять свое положение (они соединены петлями, а не желобами), связаны между собой перекрестными пространственными связями и связи эти образуются полноценными петлевыми соединениями. К этому следует еще добавить то, что кристалл алмаза не имеет дислокаций и инородных включений, за исключением, может быть, атомов бора. Последние, если их размеры близки к размерам атомов углерода, не только не ослабляют кристалл, но, напротив, упрочняют его. Разные длины атомов (у углерода, как мы знаем, они — тоже разные) делают всю конструкцию кристалла очень жесткой, противостоящей, в частности, косому сдвигу; поэтому алмаз не имеет даже упругих деформаций.
Прозрачность алмаза выражается в том, что его кристаллы имеют сквозные прямолинейные щели, сквозь которые волны эфира (света) проникают без препятствий; к тому же, на самой поверхности кристалла плотность атомов (их шнуров) не очень большая, и поэтому они не отражают свет. В то же время правильная внутренняя структура алмаза позволяет ему собирать свет и направлять его концентрированными пучками в определенных направлениях.
Стволы атомов углерода, то есть их прямые участки, в кристалле алмаза — очень короткие, так как большая часть их длины уходит на отогнутые концевые петли, поэтому если и «звучат» эти прямые участки, то только на высоких (голубых и далее) частотах.
С точки зрения электропроводности алмаз, как известно, — полупроводник: в пределах одного атома электроны движутся вдоль его присасывающих желобов, но при переходе на соседний атом они должны сначала перескочить на желоб, образованный слипшимися петлями, а затем уже с них — на присасывающий желоб другого атома; указанные перескакивания и определяют электрическое сопротивление. Перескакивания могут быть облегчены воздействием внешних факторов: жесткого света, повышенной температуры и прочих, — и это определяет полупроводниковые свойства алмаза.
Стереометрия углеводородов
Молекулы углеводородов построены только у атомов углерода и водорода; вариантов их соединения — огромное количество. Их можно классифицировать по разным признакам: по степени насыщенности водородом (насыщенные и ненасыщенные), по разомкнутости-замкнутости (ацикличности и алицикличности), по фазовому состоянию (газообразные, жидкие, твердые), изомерности и по другим.
Самым мелкомолекулярным насыщенным углеводородом является метан: его молекула состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Не трудно себе представить стереометрию этой молекулы: на каждой петле атома углерода на их присасывающих сторонах закреплены по атому водорода; на одном конце атома углерода водородные торы роспологаются снаружи, а на другом — изнутри; петли с прилипшими к ним атомами водорода расходятся от ствола атома углерода веером, причем угол расхождения петель с внутренними присасывающими сторонами больше, чем с внешними.
Если атом метана дополнять группой из одного атома углерода и двух атомов водорода, то получится гомологический ряд атомов насыщенных углеводородов: этан (два углерода и шесть водородов), пропан (три углерода и восемь водородов), бутан (четыре углерода и десять водородов), пентан (пять углеродов и двенадцать водородов) и так далее.
Стереометрия молекул этих углеводородов — уже сложнее, чем у молекулы метана, и, кроме того, они видоизменяются у каждого углеводорода в отдельности; такие видоизменения называются изомерами; определяются они соединениями петель атомов углерода. У этана возможны три варианта: его два атома углерода могут слипаться внешними сторонами, внутренними или перекрестно. У пропана, имеющего три атома углерода, таких комбинаций может быть четыре; у бутана — больше, а у пентана — еще больше. Но во всех этих изомерных стереометриях обнаруживается следующая закономерность: если петли соединяются одними сторонами (либо внешними, либо внутренними), то стволы атомов углерода в молекулах располагаются в линию, параллельно друг другу; а если петли соединяются перекрестно (внешней стороной с внутренней), то стволы атомов углерода располагаются перпендикулярно или близко к тому. Говоря о стереометрии углеводородов, мы не должны забывать, что петли на одном конце атома развернуты по отношению к петлям на другом его конце под прямым углом; из-за этого любая молекула представляет собой пространственную конструкцию (но на плоском листе бумаги такие объемные конструкции приходится изображать плоскими).
Стереометрия позволяет ответить на вопрос: почему некоторые углеводороды газообразны, другие в нормальных условиях являются жидкостями, а третьи — твердыми? Отметим, что газообразны мелкомолекулярные углеводороды: метан, этан, пропан, бутан; жидкостями являются углеводороды с более крупными молекулами, начиная с пентана, молекулы которого содержат по пять атомов углерода, — и кончая углеводородом с шестнадцатью атомами углерода в молекуле; и наконец, твердыми являются парафины, молекулы которых содержат более девятнадцати атомов углерода; наиболее твердые парафины — их называют церезинами —имеют молекулы, содержащие более тридцати семи атомов углерода, и мелкокристаллическую структуру.
Ответ на поставленный вопрос будем искать все в той же пушистости. Атомы углерода сами по себе не имеют противоборствующих участков и поэтому не пульсируют. Пульсируют и очень интенсивно атомы водорода — мы об этом знаем. Так вот, в соединениях тех и других, то есть в углеводородах, углерод не подавляет колебания водородных атомов, и те создают вокруг него стоячие тепловые поля; плотность их вокруг молекулы может быть такой, что она вся превратится в пушистую частицу; а это уже — главный признак газообразности. Получается так, что атомы водорода своим порханием и своим стремлением поднять атом углерода в воздух напоминают сказочных пташек, уносящих с собой в высь прицепившуюся лягушку. Если у этих пташек — у водородных атомов — хватает сил, они делают молекулу газообразной; если не хватает, то — жидкостной; а уж если совсем не будет сил, то молекула останется прилипшей к твердому телу.
