کریستالوگرافی (بلورشناسی) فلزات به زبان ساده

جامدها از اتم ها یا مولکول‌هایی که به طور تکراری و مرتب کنار هم قرار گرفته‌اند، تشکیل شده‌اند. بسیاری از خواص جامدها به طرز چیده شدن اتم ها یا مولکول های آن ها در کنار هم بستگی دارد. این چیدمان و آرایش اتمی یا مولکولی را ساختار داخلی جامد می نامند. بلورنگاری، بلورشناسی یا کریستالوگرافی (Crystallography) دانشی است که به قوانین حاکم بر حالت بلورین مواد جامد، آرایش اتمی/مولکولی بلورها، خواص فیزیکی و شیمیایی و ساخت، رشد و شناسایی بلورها می‌پردازد.

جزوه کریستالوگرافی دست‌نویس که به صورت خلاصه و مختصر کلیه موضوعات مطرح شده در کتاب‌های مهمی نظیر بلور شناسی دکتر آشوری را در بر گرفته است.

این علم در اول بدست زمین‌شناسان در شناسایی کانی‌ها توسعه یافت سپس شیمیدانان این علم را برای شناسایی مواد بکار گرفتند. پس از آن فیزیکدانان با بکار گیری پراش اشعه ایکس به پیشبرد آن کمک کردند.
به همین دلیل، مطالعه ساختار جامدها، کریستالوگرافی یا بلور شناسی نامیده می شود.

در شیمی معدنی نیز در مورد ساختمان اتمی، بلورنگاری (کریستالوگرافی)، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوندهای کووالانسی، یونی، هیدروژنی و غیره، ترکیبات کوئوردیناسیون و نظریه های مربوطه از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی، واکنش های اسید و باز، سرامیک ها، تقارن مولکولی و انواع بخش های زیر طبقه الکتروشیمی (برقکافت، باطری، خوردگی، نیمه رسانایی و غیره) بحث می شود.

دسته‌بندی جامدات

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. این مورد در شکل ۱ نمایش داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، اتم‌های تشکیل‌دهنده در هر دو ساختاراکسیژن و سیلیسیوم هستند، اما وجود نظم با برد بلند و کوتاه در آنها باعث ایجاد ساختارهای مختلف با خواص متفاوتی شده است. منظور از نظم کوتاه‌برد در شکل۱ این است که در تمام این ساختار اطراف اتم سیلیسیوم، ۴ اتم اکسیژن قرار گرفته‌ است. به عبارت دیگر هر واحد SiO2 دارای نظم اتمی است اما در مقیاس بلند واحدهای SiO2 به‌صورت منظم در کنار یکدیگر قرار نگرفته‌اند. البته با توجه به اینکه شکل دو بعدی است سه اتم اکسیژن قابل مشاهده است و اتم چهارم در خارج از صفحه قرار دارد. با این وجود در شکل ۱ - ب نه تنها نظم اتمی در واحدهای SiO2 برقرار است بلکه واحدهای SiO2 در یک امتداد بسیار طولانی در سه جهت فضایی با ساختار شش ضلعی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند (نظم بلند دامنه).

قابل ذکر است که از لحاظ ترمودینامیکی مواد شیشه‌ای (منظور موادی با ساختار بی‌شکل است)، شبه پایدار [1] 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. همان‌طور که می‌دانید از لحاظ ترمودینامیکی همه مواد در طبیعت تمایل دارند که سطح انرژی کمتری را داشته باشند و زمان و انرژی، امکان کاهش سطح انرژی مواد را مشخص می‌کند. در شکل۲ مقایسه سطح انرژی بین حالت کریستالی و بی‌شکل آورده شده است. مطابق این شکل مشاهده می‌شود که حالت بلوری سطح انرژی پایین‌تری نسبت به حالت بی شکل دارا می‌باشد [۱,۳].

حال که مشاهده می‌شود ساختار بلوری سطح انرژی کمتری از بی‌شکل دارد پس دلیل شکل‌گیری ساختارهای بی‌شکل چیست؟ یکی از دلایل 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 [۳].

قابل ذکر است که خود مواد بلوری نیز به دو دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از مواد تک‌بلور [۲]و چندبلور[۳]. در شکل ۳ طرحی از ساختارهای جامد تک بلور، چند بلور و بی‌شکل نشان داده شده است.

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. در 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. برای فهم بهتر این موضوع، بهتر است فرآیند انجماد یک مذاب فلزی را بررسی کنیم.

در حین انجماد یک مذاب فلزی، به مرور با کاهش دما، بلورهای جامد کوچکی که به آنها هسته می‌گوییم، در نقاط مختلف مذاب تشکیل می‌شوند که دارای یک نظم بلند برد هستند، ولی اندازه بسیار کوچکی دارند (شکل۴-الف). با گذشت زمان و کاهش تدریجی دما، به مرور اتم‌های بیشتری از مذاب به هسته‌های ایجاد شده می‌پیوندند و باعث رشد آنها در جهت‌های بلوری مختلفی می‌شوند (شکل۴-ب). در نهایت با انجماد کامل مذاب، ساختار چندبلوری به دست می‌آید که در آنها تفاوت جهت بلوری از دانه‌ای به دانه دیگر وجود دارد (شکل۴-ج). به مرز بین این دانه‌ها که در واقع محل رسیدن دو دانه با جهت‌های بلوری متفاوت هستند، مرزدانه گفته می‌شود. در شکل ۴-د مرزدانه‌ها نمایش داده شده است. هم‌چنین در شکل4-ه تصویری واقعی از مرزدانه‌ها در یک فلز که توسط میکروسکوپ نوری گرفته شده است، مشاهده می‌شود [۴].

بلور

دو مفهوم مهم در بلورشناسی وجود دارد که عبارتند از سلول واحد [۴]و شبکه[۵]/ پایه [۶]. 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/ 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. برای فهم بهتر این موضوع به شکل ۵ و ۶ توجه کنید. همان‌طور که می‌بینید 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 [۴].

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.

سلول واحد

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 مثال در شکل ۷ سلول واحد یک ساختار بلوری نمایش داده شده است. همانطور که می‌بینید برای ساخت این ساختار بلوری می‌توان سلول واحد مشخص شده را در سه بعد تعمیم داد تا ساختار بلوری شکل۷ 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[۷]، یعنی به صورت خالص دارای یک نقطه شبکه باشد و تا حد امکان کوچک باشد.

https://virgool.io/@mavad/crystallography-ufs70cgi52zc

https://nanoclub.ir/index.php/articles/%D9%85%D9%81%D8%A7%D9%87%DB%8C%D9%85-%D8%A7%D9%88%D9%84%DB%8C%D9%87-%D8%A8%D9%84%D9%88%D8%B1%D8%B4%D9%86%D8%A7%D8%B3%DB%8C