بلورها را بشناسید!

(قسمت اول)

بلورشناسی یا کریستالوگرافی علمی است که به قوانین حاکم بر حالت بلورین مواد جامد، آرایش اتمی/مولکولی بلورها، شبکه های کریستالی، جهات و صفحات کریستالی و نحوه تشکیل و رشد بلورها می‌پردازد. نظم اتم‌ها و یون‌ها نقش اساسی در تعیین ریزساختار و خواص مواد ایفا می‌کند.

درواقع کریستالوگرافی (Crystallography)، زیر مجموعه ای از علم کانی شناسی یا مینرالوژی است و علم آرایش اتم ها در جامدات است.  این علم در یک نکته مهم از علوم فیزیک و شیمی که رابطه نزدیکی با آن دارند متمایز می شود.

در حالی که موضوع این علوم بررسی حالات و تغییرات جسم است، هدف اصلی بلورشناسی در وهله اول بررسی خود جسم است و این جسم بلور یا کریستال نامیده می شود. بلور یا کریستال از واژه ای یونانی به معنای یخ، گرفته شده است.

با توسعه دانش، مطالعه حالت تبلور ماده برای علاقمندان این علم اهمیت فروانی یافت و با پیشرفت آن مشخص شد که بخش اعظم مواد تشکیل دهنده کره زمین به صورت مواد متبلور (کانی ها) هستند و بدین ترتیب شناسایی بلورها و حالت تبلور جای خود را در میان سایر رشته های علوم باز کرد. سنگ گرانیت، سنگ آهک، مرمر، ماسه سنگ، فلزات و حتی خاک های رسی و گرد و غبار متبلور هستند. تشکیل بلور تنها از منشا معدنی صورت نمی گیرد، بلکه در بین ترکیبات آلی نیز مواد بسیار زیادی متبلور هستند. قند، نفتالین، سلولز، کائوچو و ویتامین ها  نیز ساختار بلوری دارند.

در مباحث کریستالوگرافی به همگن بودن ساختار توجه شده است، ولی لزوما بلورها در جهات مختلف کریستالی، رفتار مشابهی را نشان نمی دهند. علت این تفاوت، به نحوه قرارگیری اتم ها، صفحات تشکیل دهنده بلورها، میزان تراکم اتمی و پیوندهای اتمی و یونی وابسته است. فاصله اتم ها در ساختار به نیروهای بین اتمی، دما، فشار و نیروهای مکانیکی وابسته است.

فرض می‌کنیم یک ماده مانند شکر داریم و می‌خواهیم طرز کار آن را بفهمیم. ابتدا یک کریستال از آن می‌سازیم. این کریستال باید یک کریستال خوب باشد، که کاملا شفاف و شیشه‌ای باشد. سپس آن را به یک اتاق اشعه X انتقال می‌دهیم، و آن را روی یک میز گردان کوچک قرار می‌دهیم. سپس یک اشعه X بسیار نازک به آن تابانده می‌شود. این لیزر از داخل آن عبور کرده و بر روی یک فیلم اشعه X می‌افتد. سپس کریستال را کمی چرخانده و یک عکس دیگر از آن می‌گیرید. این کار را آن قدر انجام می‌دهید تا کریستال یک دور کامل چرخانده شود.

سپس تمام این عکس‌های اشعه X تولید شده و یک کامپیوت آن‌ها را پردازش می‌کند. در این پردازش از یک حقه ریاضی مخصوص به نام ترادیسه فوریه (Fourier Transform یا FT) استفاده می‌شود. این حقه یک حقه پیچیده است که تنها کامپیوترها و کارشناسان ریاضی که آن‌ها را ساخته‌اند می‌توانند آن را درک کنند. چیزی که FT می‌گوید این است که اتم‌ها با توجه به یکدیگر چگونه در یک مولکول جای گرفته‌اند. سپس ما می‌توانیم یک مدل فیزیکی با استفاده از گوی و میله بسازیم.

کاربردکریستالوگرافی برای فناوری نانو بسیار مهم است، و برای کشف چگونگی کارکرد داروها. دانشمندان از این روش برای شناخت چگونگی تولید الماس مصنوعی در آزمایشگاه استفاده کرده‌اند.

شما گرافیت (که در مغز مداد وجود دارد) را بردارید و آن را در فشار خیلی خیلی بالا به دمای 3000 برسانید. اتم‌های کربن خود را به شکلی تنظیم می‌کنند که به شکل کریستال یک الماس در می‌آیند. اگر این کار را به درستی انجام دهید، این الماس به خوبی الماسی خواهد بود که در اعماق زمین بصورت طبیعی یافت می‌شود.

بسیاری از دانشمندان در هند کریستاگرافر هستند، و آن‌ها بسیاری از معماهای طبیعت را با این روش حل کرده‌اند. اگر علم را به عنوان شغل آینده خود می‌خواهید انتخاب کنید، حتما علاقه خواهید داشت که یک کریستالوگرافر شوید!

ساختار بلورها

هر جسمی از اجتماع اتم های خنثی و یا از یون هایی که دارای بار الکتریکی مثبت و منفی، یا از مولکول ها تشکیل شده است. بلور مجموعه ای از اتم ها است که نظم تکرار شونده ای در سه بعد دارند. عامل نگهدارنده اتم ها در کنار یکدیگر و در فاصله ای مشخص، برآیندی از نیروهای جاذبه و دافعه است. اتم ها و یون ها در فلزات و آلیاژها با نظم مشخصی آرایش یافته اند، بنابراین فلزات نیز نوعی بلور هستند.

سلول واحد و پارامتر شبکه

بر اساس قوانین ترمودینامیکی، اتم ها تمایل دارند در موقعیت پایدار قرار بگیرند. شبکه فضایی، شبکه ای سه بعدی از خطوطی است که مراکز اتم ها را به یکدیگر متصل می کند. کوچک ترین واحدی که متقارن بوده و بیانگر خصوصیات بلوری باشد، سلول واحد نامیده می شود. بلور قرار گیری سلول ها واحد در کنار هم ایجاد می شود.

خصوصیات سلول واحد توسط پارامترهای شبکه تعیین می شود. پارامترهای شبکه شامل طول اضلاع سلول واحد یعنی a، b و c و زوایای بین اضلاع در سلول واحد، یعنی خ± بین (b و c) و خ² بین ( a و c) و خ³ (بین a و b) می شوند.

نمایش شبکه بلوری

شبکه های بلوری به دو روش کره های صلب و شبکه نقطه ای نمایش داده می شوند. در روش کره های صلب، اتم ها به صورت کره در نظر گرفته می شوند. در روش شبکه نقطه ای، اتم ها به صورت نقطه و پیوندهای بین اتمی به صورت خط در نظر گرفته می شوند.

فقط شکل های هندسی خاصی می توانند به طور متناوب تکرار شوند تا فضا پر شود. این آرایش نیازمند 14 شبکه براوه است. آگوست براوه اولین فردی بود که این شبکه های فضایی را پیشنهاد کرد و این شبکه ها به نام او نامگذاری شدند.

    ادامه دارد...

منبع:  wikipg،edu nano ،roshd