{بلورشناسی} - ۱
·
1400/11/11 18:33
· خواندن 4 دقیقه
- بلور شناسی و شبکه های بلوری
در پست قبلی نانومواد طبیعی را بررسی کردیم؛ در این پست به بلورشناسی نانومواد می پردازیم.
در علم بلورشناسی، حالت‌های مختلف بلوری در مواد، قوانین حاکم بر آنها، آرایش‌های اتمی یا مولکولی و نواقص بلوری، روش‌های مشخصه‌یابی بلورها، خواص و ساختار بلورها و شبکه های بلوری مطالعه و بررسی می‌شود.
در گذشته در بلورشناسی بیشتر بر روی شکل بیرونی ساختارهای بلوری تمرکز داشتند (مثلا در کانی‌شناسی)، ولی امروزه بررسی‌ها بیشتر معطوف به ساختار داخلی بلورهاست. این تحول به ویژه پس از کشف پرتو ایکس توسط رونتگن در قرن ۱۹ رخ داد، چراکه دانشمندان می‌توانستند به کمک آن اطلاعات ارزشمندی از ساختار داخلی بلورها بدست بیاورند.
به‌صورت کلی بلورشناسی را می‌توان به عنوان شاخه‌ای از علم که به توصیف هندسه و چینش اتمها در ساختار داخلی بلورها می‌پردازد، تعریف نمود.
به‌صورت کلی می‌توان جامدات را باتوجه به نحوه قرارگیری واحدهای سازنده‌شان (این واحدها می‌توانند اتمها، مولکول‌ها و یا یون‌ها باشند) در کنارهم، به دو دسته عمده تقسیم نمود. این دو دسته عبارتند از جامدات کریستالی و جامدات غیرکریستالی یا بی‌شکل. جامدات کریستالی دارای نظم بلندبرد (نظم در سه جهت فضایی در امتداد طولانی) می‌باشند در حالیکه جامدات بی‌شکل نظم کوتاه‌برد دارند.
یک نمونه جامد آمورف (الف) و یک جامد کریستالی (ب)
قابل ذکر است که از لحاظ ترمودینامیکی مواد شیشه‌ای (منظور موادی با ساختار بی‌شکل است)، شبه پایدار هستند، یعنی اگر زمان و انرژی گرمایی کافی به آنها داده شود و بتوانند ساختار خود را بازچینش کنند و ساختار بلوری بیابند، سطح انرژی پایین‌تری را خواهند داشت.
حالت بلوری سطح انرژی پایین‌تری نسبت به حالت بی شکل دارد
یکی از دلایل شکل‌گیری ساختارهای بی‌شکل این است که ساختار مواد تشکیل‌دهنده ماده پیچیده هستند (از جهت تعداد و تفاوت اندازه) و به سادگی نمی‌توانند با نظمی سه‌بعدی و بلندبرد در کنار یکدیگر قرارگرفته و ساختار بلوری را تشکیل دهند. دلیل دیگر این است که ممکن است ساختار جامد به سرعت شکل بگیرد (مثلا یک مذاب فلزی سریع جامد شود) و اتمها یا مولکول‌ها فرصت کافی را پیدا نکنند تا در یک ساختار بلندبرد بلوری در کنار یکدیگر قرار بگیرند
خود مواد بلوری نیز به دو دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از مواد تک‌بلور و چندبلور آرایش اتمها در مواد تک‌بلور به‌طور منظم، متناوب و تکرارشونده در سراسر یک جامد بلوری است. اما مواد چندبلور دارای تعداد زیادی از بلورهای ریز (به آنها دانه گفته می‌شود) هستند. هر یک از این دانه‌ها می‌توانند جهت‌های بلوری متفاوتی نسبت به دانه‌های دیگر داشته باشند. در نتیجه، یک جامد چندبلور دارای دانه‌های بلوری است که با یکدیگر در جهت بلوری‌شان تفاوت دارند.
دسته بندی کلی مواد جامد
دو مفهوم مهم در بلورشناسی وجود دارد که عبارتند از سلول واحد و شبکه/پایه. نکته اساسی در تعریف سلول واحد و شبکه/پایه این است که اتمها به صورت کره‌هایی صلب فرض می‌شوند. درنتیجه مواردی همچون همپوشانی اتمها درنظر گرفته نمی‌شوند و اتمها مانند تیله‌هایی کروی و صلب درنظرگرفته می‌شوند.
شبکه و پایه
منظور از شبکه چینشی از نقاط در فضاست که یک مفهوم کاملا ریاضی است و منظور از پایه واحدهای ساختاری تکرارشونده‌ای هستند که می‌توانند نقاط شبکه را اشغال کنند. به عبارت دیگر، ساختار بلوری عبارت است از شبکه‌ای که توسط پایه‌ها اشغال شده است. شبکه در واقع چینشی از نقاط است که توسط پایه‌های مختلفی می‌تواند پر شود و با توجه به این‌که شبکه و پایه به چه صورت باشند، ساختارهای بلوری مختلفی می‌تواند شکل بگیرد.
پایه می‌تواند اتم یا گروهی از اتمها باشد که در جایگاه شبکه قرار می‌گیرند.
در واقع شبکه به ما می‌گوید که تکرار آرایه‌ها به چه صورت است، ولی پایه به ما می‌گوید که این آرایه‌ها چه هستند.
شبکه و پایه
سلول واحد، کوچکترین واحد تکرارشونده در بلور است که با تکرار آن در سه‌بعد می‌توان شبکه بلوری را به وجود آورد. به عبارت دیگر سلول واحد کوچکترین ابعاد نظم اتمی در ماده را به نمایش می‌گذارد. درحقیقت، سلول واحد نماینده یک شبکه بلوری است، چرا که با دانستن آن می‌توان تمام ویژگی‌های هندسی بلور را دانست. برای ساخت ساختار بلوری می‌توان سلول واحد را در سه بعد تعمیم داد تا ساختار بلوری شکل بگیرد.
برای انتخاب سلول واحد یک ساختار بلوری باید به چند نکته دقت کرد:
- تا حد امکان سلول واحد انتخاب شده ساده باشد.
- دارای بیشترین تقارن موجود باشد.
- تا حد امکان دارای زوایای عمود برهم باشد.
- اولیه باشد، یعنی به صورت خالص دارای یک نقطه شبکه باشد و تا حد امکان کوچک باشد.
برای مشخص کردن یک سلول واحد از ۶ پارامتر استفاده می‌شود. در این میان a و b و c طول اضلاع در راستای محورهای x و y و z بوده و α و β و γ به ترتیب زوایای مقابل محورهای x و y و z هستند. با داشتن این ۶ پارامتر می‌توان ساختار بلوری‌های مختلف را از هم متمایز نمود و هر کدام را باتوجه به سلول واحدش نشان داد.
سلول واحد (به همراه مشخصه ها)
منبع: مقالات باشگاه نانو
