Анизотропия. 
Химия

Многие свойства кристаллов, например механические, оптические, электрические, магнитные и др., зависят от направления их измерения. В общем случае зависимость свойств объекта от направления называют анизотропией. В кристалле она вызвана тем, что внешнее воздействие осуществляется через зависящее от направления различное число узлов кристаллической решетки. Например, показатель преломления света в кристалле, показывающий отношение скорости света в вакууме к скорости света в кристалле, имеет различные значения в разных направлениях. В минералогии используют углы анизотропии, которых может быть несколько в зависимости от строения кристалла.

Типичным примером вещества с ярко выраженной анизотропией является графит, кристаллическая структура которого состоит из параллельных слоев атомов углерода, удерживаемых слабыми силами Ван-дер-Ваальса с энергией связи, в 10 раз более слабой, чем связи между атомами углерода в слое. Приложение усилия в направлении слоя приводит к разрыву связей между слоями и их скольжению относительно друг друга, что хорошо видно на примере графитовой смазки и грифеля карандаша.

При нагревании графита до 400 °C происходит его сжатие по направлению слоев, а при более высоких температурах начинается расширение в обоих направлениях, причем в направлении, перпендикулярном слоям, расширение в 20 раз больше. Теплопроводность графита вдоль слоев в пять раз выше теплопроводности в перпендикулярном направлении. Электропроводность в направлении слоев, т. е. вдоль плоскостей перекрывания р-орбиталей, близка к электропроводности металлов и в сотни раз превышает электропроводность в перпендикулярном направлении. Магнитная восприимчивость диамагнитного графита в направлении слоев примерно в 50 раз выше, чем в перпендикулярном направлении.

Анизотропия присуща всем кристаллам. Даже алмаз анизотропен, что проявляется в различной твердости минерала и применяется для изготовления бриллиантов, резцов, буровых долот и других инструментов.

Если вырезанный из кристалла шарик нагреть или охладить, он превращается в эллипсоид, так как коэффициент теплового расширения кристалла имеет неодинаковые значения в различных направлениях (элипсоид — замкнутая поверхность, которую можно получить, если сжать или растянуть шар в любом направлении).

Способность большинства кристаллов раскалываться вдоль определенных плоскостей называется спайностью. Это свойство кристаллов связано с анизотропией и часто не зависит от внешней формы кристалла.

Спайность объясняется различной силой взаимодействия между частицами кристаллической решетки. Плоскости спайности проходят параллельно сеткам кристаллической решетки с наиболее плотно заполненными прочно связанными частицами. Плоскости спайности связаны более слабыми силами взаимодействия, перепендикулярными плоскостям спайности и максимально удаленными друг от друга (например, у графита). Слюда расщепляется на тонкие листочки по плоскостям, которые также слабо связаны между собой.

При дроблении кристаллов поваренной соли образуются кубики по плоскостям спайности, и получить изломы по другим плоскостям практически невозможно. В то же время некоторые кристаллы не обладают или почти не обладают спайностью, например самородная сера, корунд А1₂0₃, магнетит Fe₃0₄, золото, платина и др. По спайности определяют некоторые минералы. Есть кристаллы, имеющие несколько плоскостей спайности.

Твердость кристаллов также связана с анизотропией. Твердость проявляется в сопротивлении материала вдавливанию или царапанию. Это сложное свойство, зависящее от прочности материала, его кристаллической структуры, метода и направления измерения. Метод вдавливания используется для количественной характеристики твердости металлов. Для этого в металл вдавливают стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. Твердость измеряют по величине нагрузки, отнесенной к единице площади поверхности отпечатка или к его глубине.

В минералогии твердость определяют методом царапания с использованием десятибалльной относительной шкалы твердости, представляющей набор 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости:

• • 1 — тальк Mg₃(OH)₉[Si₄O₁₀)], слоистый силикат;
• • 2 — гипс CaSb₄ -2H₂0;
• • 3 — кальцит СаСО_э;
• • 4 — флюорит CaF₂;
• • 5 — апатит Ca₅[POJ₃(F, Cl, ОН)₂;
• • 6 — ортоклаз K[AlSi₃O_s];
• • 7 — кварц Si0₂;
• • 8 — топаз Al₂|SiOJ (F, ОН)₂;
• • 9 — корунд А1₂0₃;
• • 10 — алмаз С.

Для определения твердости минерал последовательно царапают эталонами, пока не найдут такие два, один из которых острым концом не царапает изучаемый минерал, а другой — царапает. Твердость оценивают средним значением твердости эталонов. Например, если на минерале не оставляет царапин апатит, а от ортоклаза они остаются, его твердость равна 5,5. Твердость используется для быстрого определения некоторых минералов.

Если испытанию подвергают плоскость кристалла, параллельную плоскости спайности, то она показывает наибольшую твердость. Если испытывают плоскость кристалла, перпендикулярную плоскости спайности, то получают наименьшее значение твердости.

Твердость возрастает при уменьшении межъядерных расстояний, увеличении валентности и координационного числа составляющих атомов, переходе от сильнополярной химической связи к неполярной. Твердость зависит от дефектов кристаллической решетки и примесей. Присутствие молекул воды, включений жидкости или газа снижает твердость минерала.