جامدات بلوری

جامدات بلوری
بلورها ، ترکیبات جامدی هستند که در آنها اجزای تشکیل دهنده جامد بلوری ، اتمها ، یونها یا مولکولها بصورت منظم در کنار یکدیگر آرایش یافته‌اند. ذرات تشکیل دهنده یک بلور بصورت یک طرح تکراری سه بعدی بلوری که شبکه بلور نامیده می‌شود، مرتب شده‌اند. کوچکترین بخش یک شبکه بلور که تمام خواص بلور را داراست، سلول واحد نام دارد.
از لحاظ تئوری اگر سلولهای واحد را در سه بعد کنار هم قرار دهیم، یک بلور تولید می‌شود. جامدات بلوری با توجه به اینکه ذرات سازنده آنها یون ، اتم ، فلز یا مولکول باشد، به بلورهای یونی ، بلورهای شبکه‌ای ، بلورهای مولکولی و بلورهای فلزی تقسیم‌بندی می‌شود.

طبقه‌بندی شبکه‌های بلوری 
شبکه‌های بلوری بر حسب تقارن در شش سیستم بلوری طبقه‌بندی می‌شوند. یک سیستم بلور را می‌توان بر حسب ابعاد سلول واحد در امتداد سه محور آن (a , b , c) و اندازه سه زاویه بین این محورها (α , β , γ) توصیف کرد.
مکعبی a = b = c
ْα = β = γ = 90 مکعبی ساده
مکعبی مرکز پر
مکعبی با وجوه مرکز پر 
مکعب مستطیل یا راست گوشه (دارای 4 شبکه بلوری) a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90 º 
چهار گوشه ( تتراگونال ) a = b ≠ c 
α = β = γ = 90 º دارای دو شبکه بلوری 
تک شیب ( مونو کلینیک) α = γ = 90 º β ≠ 90 º
a ≠ b ≠ c دارای دو شبکه بلوری 
سه شیب (تری کلینیک) a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90 º دارای دو شبکه بلوری 
شش گوشه (هگزا گونال) α = β = 90 º و a = b ≠ c
ºγ = 120 
چون سیستم بلوری خود دارای چند ساختار است مانند سیستم مکعبی که خود دارای سه نوع شبکه بلور است، بطور کلی 14 شبکه بلوری وجود دارد و بسیاری از اطلاعات در مورد ساختمان داخلی بلورها از آزمایشهای پرش اشعه ایکس بدست می‌آید. 

انواع جامدات بلوری 
جامدات بلوری بر حسب ذرات تشکیل دهنده شبکه بلور به گروههای زیر تقسیم می‌شوند. 


جامدات یونی 
اجزای تشکیل دهنده ساختمان این بلور ،‌ یونها هستند. استقرار یونها در یک بلور بر طبق یک الگوی هندسی معین است. ساختمان بلوری چنان است که نیروهای جاذبه بین یونهای مثبت و منفی به‌مراتب بیشتر از نیروهای دافعه بین یونهایی است که بار مشابه دارند. ترکیبات یونی در دمای اتاق جامدند و نقطه ذوب بالایی دارند و در حالت مذاب یا بصورت محلولهای آبی رسانای خوب الکتریسیته هستند. 

جامدات مولکولی 
نقاط شبکه‌ای در بلور ترکیبات کووالانسی توسط مولکولها اشغال شده‌اند و نیروهای بین مولکولی که مولکولها را در شبکه نگه می‌دارند، به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی که در بلورهای یونی مشاهده می‌شوند، قوی نیستند. از این‌رو بلورهای مولکولی نرم و دارای نقاط ذوب پایین هستند نارسانا هستند و یا ممکن است جامدات مولکولی قطبی در حالت مذاب رسانایی اندکی داشته باشند. 

بلورهای شبکه‌ای (بلورهای اتمی) 
در ساختمان این بلورها نقاط شبکه‌ای توسط اتمهایی اشغال شده‌اند که با شبکه‌ای از پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند. در این بلورها تشخیص یونها از بلورها غیر ممکن است. در واقع کل بلور را می‌توان بعنوان یک مولکول عظیم تصور کرد. به همین دلیل گاهی به آنها مواد درشت مولکولی هم می‌گویند. الماس مثالی از این نوع بلورهاست که در آن اتمهای کربن توسط پیوندهای کووالانسی در یک ساختمان سه بعدی به هم متصل هستند. این مواد نقاط ذوب و جوش بالا دارند، فوق العاده سخت بوده و نارسانا‌ هستند و در تمام حلالهای معمولی نامحلولند و این بعلت داشتن پیوندهای کووالانسی فراوان آنهاست که برای فرو ریختن ساختمان بلوری باید گسسته شوند. 

 بلورهای فلزی 
شبکه بلوری این جامدات از اتمهای فلزی ( یونهای مثبت و الکترونهای متحرک آنها ) تشکیل شده است. پیوند فلزی پیوند قوی است و به این علت است که یونهای مثبت بصورت تنگاتنگ در شبکه بلوری کنار هم و در میان الکترونهای متحرک قرار گرفته‌اند. این جامدات ، چگالی بالا و نقطه ذوب بالایی دارند و رسانای گرمایی و الکتریکی خوبی هستند.

خواص بلورها
مقدمه 
در بلورها پراکندگی و فاصله اجزا ٬ دارای نظم هندسی ویژه‌ای است که معمولا" در تمام جهتها یکسان نیست. برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آنها در همه جهتها یکسان است. از اینرو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین ٬ مانند رسانایی گرمایی ٬ انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز در همه جهتها یکسان است. به این جامدهای غیر بلورین همسانگرد (ایزوتروپ) می‌گویند. چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهتهای مختلف متفاوت است به آنها ناهمسانگرد می‌گویند. تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می‌شوند مانند اجسام غیر بلورین عمل می‌کنند، چون در سه جهت فضایی دارای ابعاد مساوی هستند. 

کاربرد ناهمسانگردی 
پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می‌شود که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می‌شوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می‌کند، به این پدیده پیزوالکتریک می‌گویند. 
گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می‌کند و سبب می‌شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد. در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی بوجود می‌آید. همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض می‌شوند و بر اثر ارتعاش ٬ صوت تولید می‌کنند. از این خاصیت برای تولید صوت ٬ ماورای صوت ٬ نوسانهای الکتریکی ٬ ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می‌شود. 

خواص نیم رسانایی 
بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ٬ سیلیسیم و کربن خاصیت نیم رسانایی دارند و تا اندازه‌ای جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. اگر بلورهای نیم رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم٬ مقاومت الکتریکی آنها کم می‌شود و الکتریسیته را بهتر عبور می‌دهد. نیم رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات بصورت دیود و ترانزیستور و قطعه‌های دیگر الکترونیکی بکار می‌روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می‌شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب بکار می‌رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیم رسانا تشکیل می‌شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب بکار می‌رود. دیودها و ترانزیستورها از قسمتهای اصلی گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیو و تلویزیون هستند. 

پدیده دو شکستی 
بعضی از بلورها نور را به دو دسته پرتو تقسیم می‌کنند، بر اثر این پدیده در کانیهای شفاف ٬ مانند کربنات کلسیم شکست مضاعف ایجاد می‌شود. اگر نوشته‌ای را زیر کربنات کلسیم قرار دهیم بصورت دو نوشته دیده می‌شود. 
بعضی از بلورها خاصیت جذب انتخابی دارند. مانند بلور تورمالین که پرتوهای نور را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک دسته آنها را جذب می‌کند و دسته دیگر را از خود عبور می‌دهد. از این خاصیت برای ساختن فیلمها و عدسیهای قطبنده (پلاریزان) و برای کاهش شدت نور چراغهای اتومبیل استفاده می‌شود. عدسیهای قطبنده را در ساختن ابزارهای نوری مانند میکروسکوپهای قطبنده (پلاریزان) را از ورقه نازک پولاروید (ورقه شفاف و نازک نیترات سلولز) می‌پوشانند. 



خواص ساختاری 
بعضی از ویژگیهای بلورها به نوع و موقعیت پیوند بین مولکولهای آنها بستگی دارد. مثلا" هر چه پیوند اجزای یک بلور قویتر باشد نقطه ذوب آن بالاتر و سختی و مقاومت آن بیشتر است، مانند بلورهای الماس و گرافیت که از نظر ترکیب شیمیایی یکسان هستند و هر دو از کربن تشکیل شده‌اند، اما به دلیل تفاوت در پیوند شیمیایی میان اتمهای آنها سختی و مقاومت گرافیت کم ، اما سختی و مقاومت الماس بسیار زیاد است. بعضی از بلورها به سبب شکل پیوندهای داخلی ٬ در امتدادهای معینی به آسانی می‌شکنند، مانند بلور نمک طعام و بعضی به آسانی ورقه ورقه می‌شوند، مانندبلورهای میکا. از خاصیت سختی و مقاومت بلورها در ساختن انواع کاغذها و تیغه‌های سمباده و همچنین در ساعت سازی استفاده می‌کنند.

ساختار بلوری  
با نگاه کردن به ساختار داخلی بلورها ، دانشمندان امروزه می‌دانند که بلورها به این دلیل همیشه شکلهای منظم و قابل شناسلیی دارند که اتمهای داخل آنها همیشه به شکل الگوهای مشخصی که شبکه نام دارند در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. خواص یک بلور به شبکه آن بستگی دارد. به عنوان مثال الماس به این دلیل بسیار سخت است که اتمهای آن با پیوندهای بسیار قوی به هم متصل شده‌اند و یک شبکه مستحکم را بوجود آورده‌اند. دانشمندان شبکه بلورها را با استفاده از اشعه ایکس مطالعه می‌کنند. این مطالعات آشکار ساخته است که همه بلورها را می‌توان فقط به هفت ساختار پایه طبقه بندی کرد، که با ساختار شبکه هر بلور تعیین می‌شود. 


تاریخچه 
در پی کشف پراش اشعه‌های ایکس توسط رونتگن و انتشار یک رشته محاسبات و پیش‌بینیهای ساده و موفقیت آمیز در مورد ویژگیهای بلورین ، بررسی ساختارهای بلوری بصورت دقیقتر شروع گردید. ناظرهای اولیه با توجه به نظم شکل خارجی بلورها به این نتیجه رسیدند که بلورها از تکرار منظم سنگ بناهای همانند بوجود می‌آیند. زمانی که بلوری در شرایط محیطی ثابت رشد می‌کند، شکل آن در حین رشد تغییر نمی‌کند، گویی سنگ بناهای همانند بطور پیوسته به آن افزوده می‌شوند. این سنگ بناها ، اتمها یا گروههایی از اتمها هستند، که بلور یک آرایه متناوب سه بعدی از اتمهاست. این موضوع با این کشف کانی شناسان در قرن هیجدهم که اعداد شاخص جهتهای تمام وجوه بلور اعداد درستند، آشکار شد. 

آزمایش ساده 
یک لیوان معمولی برداشته و آن را از آب پر کنید. حال مقداری شکر در داخل لیوان ریخته و آن را با قاشق به هم بزنید، تا شکر کاملا در آب حل گردد. این عمل را تا جایی ادامه بدهید که دیگر شکر اضافه شده به آب لیوان در آن حل نشود و در لیوان ته نشین گردد. چنین محلولی را اصطلاحا محلول اشباع شده آب و شکر می‌گویند. حال یک دانه حبه قند را که قسمتی از آن شکسته شده است و بصورت مکعب کامل نمی‌باشد، انتخاب کنید.
حال حبه قند را بوسیله یک تکه نخ بسته و در داخل لیوان آویزان کنید. بعد از چند روز ملاحظه می‌کنید که قسمت شکسته شده حبه قند کاملا ترمیم یافته و حبه قند بصورت مکعب کامل در آمده است. این آزمایش نمونه بسیار ساده از رشد بلور است. 

ساختار کلی 
بلور ایده آل از تکرار بی پایان واحدهای ساختاری همانند در فضا بوجود می‌آید. در ساده‌ترین بلورها ، مانند مس ، نقره ، آهن و فلزات قلیایی ، این واحدهای ساختاری یک تک اتم است. در اکثر مواد واحد ساختاری شامل چندین اتم یا ملکول است. در بلورهای معدنی این تعداد تا حدود 100 و در بلورهای پروتئین به 10000 می‌رسد. ساختار تمام بلورها بر حسب شبکه‌ای که به هر نقطه آن گروهی از اتمها متصل هستند، توصیف می‌گردد، این گروه اتمها را پایه می‌گویند، پایه در فضا تکرار می‌شود تا ساختار بلور را تشکیل دهد.
 
ساختار بلوری غیر ایده آل 
از نظر بلورنگاران کلاسیک ، بلور ایده‌آل از تکرار دوره‌ای واحدهای یکسان در فضا شکل می‌گیرد. ولی هیچ دلیل عمومی وجود ندارد که بلور ایده‌آل حالت مینیمم انرژی اتمها در صفر مطلق باشد. در طبیعت ساختارهای بسیاری وجود دارند که با آنکه منظم هستند، کاملا دوره نیستند. نظر ایده‌آل بلورنگاران لزوما یک قانون طبیعت نیست. بعضی از ساختارهای غیر دوره‌ای ممکن است فقط فرا پایدار باشند و طول عمر بسیار درازی داشته باشند. 

انوع ساختار بلوری 
انواع مختلف ساختارهای بلوری وجود دارند که چند مورد از ساختارهای بلوری ساده و مورد توجه همگانی عبارتند از:

بلور مکعبی مرکز سطحی (fcc) :
در این حالت سلول یاخته بسیط ، لوزی رخ است. بردارهای انتقال بسیط نقطه شبکه واقع در مبدا را به نقاط شبکه واقع در مراکز وجوه وصل می‌کنند.

بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) : 
در این حالت یاخته بسیط لوزی رخی است که هر ضلع آن برابر است و زاویه بین اضلاع مجاور است.

بلور کلرید سدیم Nacl :
در این حالت پایه شامل یک اتم Na و یک اتم Cl است که به اندازه نصف تعداد اصلی مکعب یکه از هم فاصله دارند.
بلور کلرید سزیم CsCl : 
در این حالت در هر یاخته بسیط یک مولکول وجود دارد. هر اتم در مرکز مکعبی متشکل از اتمهای نوع مخالف قرار دارد.
ساختار بلوری تنگ پکیده شش گوش (hcp) : 
در این ساختار مکانهای اتمی یک شبکه فضایی را بوجود نمی‌آورند. شبکه فضایی یک شش گوشی ساده است که به هر نقطه شبکه آن پایه‌ای با دو اتم یکسان مربوط می‌شود.

ساختار الماسی : 
در این حالت شبکه فضایی fcc است. این ساختار نتیجه پیوند کووالانسی راستایی است.
ساختار مکعبی سولفید روی ZnS : 
ساختار الماس را می‌توان بصورت دو ساختار fcc که نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم قطر اصلی جابجا شده‌اند، در نظر گرفت. ساختار مکعبی سولفید روی از قرار دادن اتمهای Zn روی یک شبکه fcc و اتمهای S رویی شبکه fcc دیگر نتیجه می‌شود.
ساختار شش گوشی سولفید روی (و ورلستاین): 
اگر فقط اتمهای همسایه اول را در نظر بگیرید، نمی‌توان بین دو حالت ZnS مکعبی و شش گوشی فرق گذاشت. اما اگر همسایه‌های دوم را در نظر بگیریم می‌توان این دو حالت را از هم تمییز داد. 
علت مطالعه ساختارهای بلوری 
از آنجا که بیشترقطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور و ... از بلورها ساخته می‌شود. همچنین به دلیل گسترش روز افزون وسایل الکترونیکی و توجه بیش از حد به ساختن ریزتراشه‌های کامپیوتری با ابعاد بسیار کم ، توجه فوق العاده به سمت بلور شناسی و مطالعه ساختارهای بلوری شده است. و دانشمندان مختلف در سطح جهان مطالعات وسیعی را در این زمینه انجام می‌دهند، که از آن جمله می‌توان به فعالیتهای انجمن نانوتکنولوژی اشاره کرد.

منبع : http://daneshnameh.roshd.ir