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結晶または結晶性固体は、構成要素（原子、分子、イオンなど）が高度に秩序だった微細構造に配置され、あらゆる方向に広がる結晶格子を形成する固体材料です。 [ 1 ] [ 2 ]さらに、巨視的な単結晶は通常、特定の特徴的な方向を持つ平らな面からなる幾何学的形状によって識別できます。結晶と結晶形成の科学的研究は結晶学として知られています。結晶成長のメカニズムによる結晶形成のプロセスは、結晶化または凝固と呼ばれます。
クリスタルという言葉は、「氷」と「水晶」の両方を意味する古代ギリシャ語のκρύσταλλος ( krustallos )に由来し[ 3 ] 、「氷の冷たさ、霜」を意味するκρύος ( kruos )に由来します。[ 4 ] [ 5 ]
大きな結晶の例としては、雪の結晶、ダイヤモンド、食塩などがあります。ほとんどの無機固体は結晶ではなく多結晶体、つまり多数の微細な結晶が融合してできた単一の固体です。多結晶体には、ほとんどの金属、岩石、セラミック、氷などがあります。固体の3番目のカテゴリーは非晶質固体で、原子は周期的な構造を全く持ちません。非晶質固体の例としては、ガラス、ワックス、多くのプラスチックなどがあります。
その名称とは裏腹に、鉛クリスタル、クリスタルガラス、および関連製品は結晶ではなく、ガラスの一種、すなわち非晶質固体である。
結晶、または結晶性の固体は、クリスタルセラピーなどの疑似科学的な実践でよく使用され、宝石とともに、ウィッカの信仰や関連する宗教運動における呪術と関連付けられることもあります。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
「結晶」の科学的な定義は、結晶内部の原子の微細な配列、すなわち結晶構造に基づいています。結晶とは、原子が周期的な配列を形成する固体です（準結晶は例外です。下記参照）。
すべての固体が結晶であるとは限りません。たとえば、液体の水が凍り始めると、相変化は小さな氷の結晶から始まり、それらが成長して融合し、多結晶構造を形成します。最終的な氷の塊では、それぞれの小さな結晶（「結晶子」または「粒」と呼ばれる）は原子が周期的に配列した真の結晶ですが、多結晶全体としては周期的な原子配列はありません。これは、周期的なパターンが粒界で破れているためです。ほとんどの巨視的な無機固体は多結晶であり、ほぼすべての金属、セラミック、氷、岩石などが含まれます。ガラスのように結晶でも多結晶でもない固体は、非晶質固体と呼ばれ、ガラス質、ガラス質、または非結晶質とも呼ばれます。これらは、微視的に見ても周期的な秩序を持ちません。結晶性固体と非晶質固体には明確な違いがあります。最も顕著な違いは、ガラスの形成過程では融解潜熱が放出されないのに対し、結晶の形成過程では放出されることです。
結晶構造（結晶中の原子の配列）は、単位格子と呼ばれる、特定の空間配置で1つまたは複数の原子を含む小さな仮想的な箱によって特徴づけられる。これらの単位格子が三次元空間に積み重なって結晶を形成する。
結晶の対称性は、単位格子が隙間なく完全に積み重なるという要件によって制約されます。結晶対称性には 219 種類（一般的には 230 種類とされていますが、これはキラル等価物を別個の実体として扱います）があり、これらは結晶学的空間群と呼ばれます。[ 9 ]これらは、立方晶系（結晶が立方体または長方形の箱を形成する場合があり、右図の岩塩など）や六方晶系（結晶が六角形を形成する場合があり、通常の氷など）といった7 つの結晶系に分類されます。
結晶は一般的に、鋭角を持つ平らな面からなる形状によって、肉眼的に認識されます。これらの形状特性は結晶にとって必須ではありません。結晶は科学的には、その巨視的な形状ではなく、微視的な原子配列によって定義されます。しかし、特徴的な巨視的な形状はしばしば存在し、容易に観察できます。
自形結晶とは、明瞭で整った平面を持つ結晶のことである。他形結晶はそうではなく、通常は多結晶体中の単一の結晶粒であるためである。
自形結晶の平坦な面（ファセットとも呼ばれる）は、結晶の基底となる原子配列に対して特定の方向に配向している。つまり、ミラー指数が比較的低い面である。[ 10 ]これは、表面の配向によって安定性が異なる（表面エネルギーが低い）ためである。結晶が成長するにつれて、新しい原子は表面の粗く不安定な部分には容易に付着するが、平坦で安定した表面には付着しにくくなる。そのため、平坦な面は次第に大きくなり滑らかになり、最終的には結晶表面全体がこれらの平面で構成されるようになる。（右の図を参照。）
結晶学における最も古い技術の一つは、結晶面の三次元的な向きを測定し、それを用いて結晶の基本的な対称性を推測することである。
結晶の結晶学的形態とは、結晶の対称性のいずれかによって関連付けられる、結晶の可能な面の集合のことです。例えば、方鉛鉱の結晶はしばしば立方体の形をとりますが、立方体の6つの面は、等軸晶系の対称性のいずれかを示す結晶学的形態に属します。方鉛鉱は八面体として結晶化することもあり、八面体の8つの面は、等軸晶系の別の対称性を反映した別の結晶学的形態に属します。結晶学的形態は、その面のミラー指数を括弧で囲むことによって記述されます。例えば、八面体形態は{111}と表記され、その形態の他の面は結晶の対称性によって示されます。
形状は閉じた形状、つまり形状が空間の体積を完全に囲むことができる形状と、開いた形状、つまり囲むことができない形状に分けられます。立方体と正八面体の形状は閉じた形状の例です。等軸晶系のすべての形状は閉じていますが、単斜晶系と三斜晶系のすべての形状は開いています。結晶の面はすべて同じ閉じた形状に属する場合もあれば、複数の開いた形状または閉じた形状の組み合わせである場合もあります。[ 11 ]
結晶の形態とは、目に見える外形を指します。これは、結晶構造（可能な結晶面の向きを制限する）、特定の結晶化学組成と結合（特定の結晶面が他の結晶面よりも優先される場合がある）、そして結晶が形成された条件によって決定されます。
体積と重量で比較すると、地球上で最も多くの結晶が集中しているのは、岩盤の一部です。岩石中に見られる結晶の大きさは、通常、数ミリメートルから数センチメートルまでですが、非常に大きな結晶が見つかることもあります。 1999年現在世界で知られている最大の天然結晶は、マダガスカルのマラキアリーナ産のベリル結晶で、長さ18メートル（59フィート） 、直径3.5メートル（11フィート）、重さ38万キログラム（84万ポンド）である。[ 12 ]
マグマ作用や変成作用によって結晶が形成され、大きな結晶質岩石の塊が生じた。火成岩の大部分は溶融マグマから形成され、結晶化の程度は主に固化時の条件に依存する。花崗岩のように非常にゆっくりと高圧下で冷却された岩石は完全に結晶化しているが、多くの種類の溶岩は地表に流れ出て急速に冷却されたため、後者のグループでは少量の非晶質またはガラス質物質が一般的である。大理石、雲母片岩、珪岩などの変成岩である他の結晶質岩石は再結晶化している。これは、それらが最初は石灰岩、頁岩、砂岩のような断片的な岩石であり、溶融状態や完全な溶解状態になったことはなく、変成作用の高温高圧条件によって元の構造が消去され、固体状態で再結晶化が誘発されたことを意味する。[ 13 ]
その他の岩石結晶は、一般的には水などの流体からの沈殿によって形成され、晶洞や石英脈を形成します。岩塩、石膏、一部の石灰岩などの蒸発岩は、主に乾燥気候における蒸発によって水溶液から沈殿したものです。
雪、海氷、氷河の形で存在する水ベースの氷は、地球や他の惑星で一般的な結晶/多結晶構造です。[ 14 ]雪の結晶は単結晶または結晶の集合体ですが、 [ 15 ]氷の塊は多結晶です。[ 16 ]氷の結晶は、氷の塊や凍った湖のように、液体の水を凝固点以下に冷却することによって形成されることがあります。霜、雪の結晶、または空気中に浮遊する小さな氷の結晶（氷霧）は、空気の温度が露点以下に低下したときに、液体の状態を経ずに、水蒸気と空気の過飽和気体溶液から成長することがより一般的です。水のもう 1 つの珍しい性質は、結晶化するときに収縮するのではなく膨張することです。[ 17 ]
多くの生物は水溶液から結晶を生成することができ、例えばほとんどの軟体動物の場合は方解石やアラゴナイト、脊椎動物の骨や歯の場合はヒドロキシアパタイトなどが挙げられる。
同じ原子群でも、しばしば様々な形で固化することがある。多形性とは、固体が複数の結晶形で存在できる性質のことである。例えば、氷は通常、六方晶系の氷Ihとして存在するが、立方晶系の氷Ic、菱面体晶系の氷IIなど、他の多くの形態でも存在し得る。これらの異なる多形は、通常、異なる相と呼ばれる。
さらに、同じ原子が非晶質相を形成することもあります。例えば、水は非晶質氷を形成することができ、二酸化ケイ素（SiO₂ ）は溶融シリカ（非晶質ガラス）と石英（結晶）の両方を形成することができます。同様に、ある物質が結晶を形成できる場合、多結晶も形成することができます。
純粋な化学元素の場合、多形現象は同素体と呼ばれます。例えば、ダイヤモンドとグラファイトは炭素の2つの結晶形であり、非晶質炭素は非結晶形です。多形体は、同じ原子から構成されているにもかかわらず、非常に異なる性質を持つことがあります。例えば、ダイヤモンドは既知の物質の中で最も硬い物質ですが、グラファイトは非常に柔らかいため潤滑剤として使用されます。チョコレートは6種類の結晶を形成する可能性がありますが、キャンディーバーや菓子に適した硬度と融点を持つのはそのうちの1種類だけです。鋼鉄の多形現象は、熱処理が可能であること、そして鋼鉄が幅広い特性を持つ理由となっています。
結晶化とは、流体または流体に溶解した物質から結晶構造を形成する過程のことである。（まれに、気体から直接結晶が析出することもある。エピタキシーおよびフロストを参照。）
結晶化は複雑で、広範囲にわたって研究されている分野です。なぜなら、条件によっては、単一の流体がさまざまな形態に固化する可能性があるからです。流体は、さまざまな相、化学量論、不純物、欠陥、および結晶形態を持つ単結晶を形成することもあれば、粒子のサイズ、配列、配向、および相がさまざまな可能性を持つ多結晶を形成することもあります。固体の最終的な形態は、流体の化学組成、周囲圧力、温度、およびこれらのパラメータが変化する速度など、流体が固化する条件によって決定されます。
大型単結晶（ブールと呼ばれる）を製造するための具体的な工業技術としては、チョクラルスキー法やブリッジマン法などが挙げられる。物質の物理的性質によっては、水熱合成法、昇華法、あるいは溶媒を用いた結晶化法など、より一般的な結晶化法が用いられる場合もある。
大きな単結晶は地質学的プロセスによって生成されることがあります。例えば、メキシコのナイカにあるクリスタルの洞窟では、 10メートルを超えるセレナイト結晶が発見されています。 [ 18 ]地質学的結晶形成の詳細については、上記を参照してください。
結晶は生物学的プロセスによっても形成されることがある（上記参照）。逆に、一部の生物は、不凍タンパク質のように、結晶化を防ぐための特別な仕組みを持っている。
理想的な結晶では、すべての原子が完全かつ正確に繰り返されるパターンで並んでいます。[ 19 ]しかし、実際には、ほとんどの結晶性物質には、結晶のパターンが途切れているさまざまな結晶学的欠陥があります。これらの欠陥の種類と構造は、物質の特性に大きな影響を与える可能性があります。
結晶学的欠陥の例としては、空孔欠陥（原子が収まるべき場所に空いている空間）、格子間欠陥（本来収まらない場所に余分な原子が押し込まれている状態）、転位（右図参照）などが挙げられる。転位は材料科学において特に重要であり、材料の機械的強度を決定する上で重要な役割を果たす。
結晶構造におけるもう一つの一般的な欠陥は不純物であり、これは結晶中に「間違った」種類の原子が存在することを意味します。例えば、完全なダイヤモンド結晶は炭素原子のみを含みますが、実際の結晶には少量のホウ素原子が含まれている場合があります。これらのホウ素不純物によって、ダイヤモンドの色はわずかに青みがかった色になります。同様に、ルビーとサファイアの違いは、コランダム結晶中に存在する不純物の種類だけです。
半導体において、ドーパントと呼ばれる特殊な不純物は、結晶の電気的特性を劇的に変化させる。トランジスタなどの半導体デバイスは、異なる半導体ドーパントを特定のパターンで異なる場所に配置することによって、主に実現されている。
双晶形成は、結晶学的欠陥と粒界の中間に位置する現象である。粒界と同様に、双晶境界も両側で異なる結晶方位を持つ。しかし、粒界とは異なり、その方位はランダムではなく、特定の鏡像関係で結びついている。
モザイク構造とは、結晶面の配向がばらついている状態を指します。モザイク結晶は、互いにわずかにずれた小さな結晶単位から構成されています。
一般的に、固体は金属結合、イオン結合、共有結合、ファンデルワールス結合など、さまざまな種類の化学結合によって結合されています。これらの結合は必ずしも結晶性または非結晶性であるとは限りません。しかし、以下のような一般的な傾向が見られます。
金属は急速に結晶化し、ほとんどの場合多結晶ですが、非晶質金属や単結晶金属などの例外もあります。後者は人工的に作られ、例えば戦闘機のタービンは通常、まずチタン合金の単結晶を成長させることで作られ、多結晶チタンよりも強度と融点が高くなります。小さな金属片は、タイプ2の土鉄のように自然に単結晶になることがあります。しかし、大きな金属片は、非常にゆっくりとした冷却が行われない限り、一般的には単結晶にはなりません。例えば、鉄隕石は、宇宙の真空中で非常にゆっくりと冷却されるため、単結晶、または数メートルにもなる多数の大きな結晶で構成されていることがよくあります。ゆっくりとした冷却により、結晶格子内に別の相が析出することがあり、これは格子によって決定される特定の角度で形成され、ウィドマンシュテッテンパターンと呼ばれます。[ 20 ]
イオン化合物は、金属と非金属が反応して形成されるのが一般的で、例えばナトリウムと塩素が反応する場合などが挙げられます。これらの反応によって、塩化ナトリウム（食塩）や硝酸カリウム（硝石）などの塩類が形成され、結晶は脆く、比較的容易に割れる傾向があります。イオン性物質は通常、結晶質または多結晶質です。実際には、溶融した流体を凝固させるか、溶液から結晶化させることで、大きな塩の結晶を作ることができます。ルビーや合成サファイアなどの多くの宝石に含まれる酸化アルミニウムのような酸化物など、非常に硬いイオン化合物も存在します。
共有結合固体（共有結合ネットワーク固体とも呼ばれる）は、通常、炭素やケイ素、酸素などの1つ以上の非金属から形成され、非常に硬く、剛性があり、脆いことが多い。これらは非常に一般的であり、ダイヤモンドと石英がそれぞれ顕著な例である。[ 21 ]
弱いファンデルワールス力は、結晶性分子固体などの特定の結晶を結合させるのに役立ち、グラファイトの層間結合にも関与しています。脂肪、脂質、ワックスなどの物質は、大きな分子が原子結合ほど密に詰まらないため、分子結合を形成します。これにより、結晶ははるかに柔らかく、簡単に引き裂かれたり壊れたりします。一般的な例としては、チョコレート、ろうそく、ウイルスなどがあります。水氷やドライアイスは、分子結合を持つ他の物質の例です。[ 22 ]ポリマー材料は一般的に結晶領域を形成しますが、分子の長さが通常完全な結晶化を妨げ、ポリマーが完全に非晶質になる場合もあります。
準結晶は、規則的に配列しているものの、厳密には周期的ではない原子の配列から構成される。X線回折で明確なパターンを示すことや、滑らかで平坦な面を持つ形状を形成できることなど、通常の結晶と多くの共通点を持つ。
準結晶は、通常の周期結晶では不可能な五回対称性を示す能力で最も有名です（結晶学的制限定理を参照）。
国際結晶学連合は、 「結晶」という用語を再定義し、通常の周期結晶と準結晶（「本質的に離散的な回折図を持つ固体」[ 23 ]）の両方を含むようにしました。
1982年に初めて発見された準結晶は、実際には非常にまれである。2004年時点で約40万種類の周期結晶が知られているのに対し、準結晶を形成する固体は約100種類しか知られていない。[ 24 ] 2011年のノーベル化学賞は、準結晶の発見によりダン・シェヒトマンに授与された。[ 25 ]
結晶は、ガラスや多結晶体では通常見られない、特別な電気的、光学的、機械的特性を持つことがあります。これらの特性は、結晶の異方性、すなわち原子配列における回転対称性の欠如に関連しています。そのような特性の一つに圧電効果があり、結晶に電圧をかけると結晶が収縮したり伸びたりします。もう一つは複屈折で、結晶を通して見ると二重像が現れます。さらに、電気伝導率、誘電率、ヤング率など、結晶の様々な特性は、結晶内の方向によって異なる場合があります。例えば、グラファイト結晶はシートが積み重なった構造をしており、個々のシートは機械的に非常に強いものの、シート同士の結合は比較的緩やかです。そのため、材料の機械的強度は、応力の方向によって大きく異なります。
すべての結晶がこれらの特性をすべて備えているわけではありません。逆に、これらの特性は結晶に特有のものでもありません。加工や応力によって異方性を持つようになったガラスや多結晶体にも現れることがあります。例えば、応力誘起複屈折などが挙げられます。
結晶学とは、結晶の構造（つまり、原子配列）を測定する科学である。広く用いられている結晶学の手法の一つにX線回折がある。既知の結晶構造は多数、結晶学データベースに保存されている。
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