آیا اثر نقص بلوری بر خواص مواد اثری بد و نامطلوب است؟

آیا اثر نقص بلوری بر خواص مواد اثری بد و نامطلوب است؟

یا این که ممکن است در برخی موارد اثری مثبت و مفید باشد؟

آیا بر هم خوردن نظم موضعی همیشه موجب تخریب خواص مطلوب ماده می شود؟

یا این که ممکن است خصوصیات جدیدی را در ماده ایجاد کند؟

برای پاسخ به پرسش های بالا لازم است به بررسی دقیق تر مواد بپردازیم و عوامل شکل دهندة خواص را مرور کنیم.

می دانیم تفاوت های مواد ناشی از حالتی است که ماده در آن قرار دارد و می تواند بسیاری از خواص آن را تحت تأثیر خود قرار دهد. مثلاً  ماده در حالت گازی، مولکول ها به علت فاصله زیادی که از هم دارند، می توانند بدون تأثیر پذیرفتن از مولکول های مجاور، به صورت مستقل حضور داشته باشند.

شکل 1: مقایسه میزان آزادی و حرکت مولکول ها در حالت های مختلف ماده

ماده در حالت گازی خصوصیت رسانایی الکتریکی ندارد، زیرا الکترون های آزاد و یون ها که تنها حامل های جریان الکتریکی هستند، در این حالت از ماده وجود ندارند. از طرف دیگر، در حالت گازی انتظار می رود ماده رسانای گرما باشد، زیرا شرط رسانایی گرمایی، حرکت ذرات ماده است که در این حالت به علت مقید نبودن ذرات در حالت گازی به وجود می آید.

نکته جالب در این دسته بندی آن است که اثر ترکیب شیمیایی مواد مورد توجه قرار نگرفته اند، گویی حالت ماده به تنهایی بسیاری از خصوصیات کلی آن را مشخص می کند و این خصوصیات مستقل از ترکیب شیمیایی آن است.

آنچه موجب شباهت خواص کلی همه مواد در یک حالت خاص مانند حالت گازی می شود، وضعیت ذرات نسبت به هم است. این وضعیت «میزان تحرک پذیری» ذرات در هر حالت را تعیین می کند.

وجود عیوب بلوری همانند حالت های ماده، البته به شکلی جزئی تر، به وضعیت قرار گرفتن ذرات ماده در کنار هم شکلی خاص می بخشد و از این طریق موجب می شود تا ماده ویژگی های دیگری را که بعضاً متفاوت از ویژگی های قبلی است، از خود نشان دهد.

همان طور که نمی توان تغییر حالت یک ماده از حالت گاز به مایع را که لزوماً موجب بهبود یا تخریب همه خواص نمی شود یک تغییر مثبت یا منفی دانست، وجود عیوب بلوری را نیز نمی توان عامل تخریب یا بهبود همة خواص ماده به حساب آورد.

بنابراین در پاسخ به این پرسش که آیا عیوب بلوری بر خواص مواد اثر نامطلوب می گذارند یا نه؟ باید گفت که عیوب بلوری برخی از خواص را بهبود می دهند و برخی را تضعیف می کنند.

گفتیم که عامل اصلی تعیین کننده خواص کلی مواد، میزان تحرک اجزای آن است. یعنی میزان تحرک مولکول ها و یون ها در تعیین خواص مواد نقش عمده ای بازی می کند و می تواند به تنهایی وضعیت بسیاری از خواص را مشخص سازد.

شکل 2: تصویری ساده از یک شبکة بلوری

همچنین می دانیم که بلورها (غالباً) دارای حالت جامد هستند و در این حالت از ماده تحرک ذرات به صورت حرکت های محدود مانند لرزش و جا به جایی های موضعی است. علت عدم امکان حرکت آزاد در این حالت از ماده، فشردگی ساختار و به تبع آن نیروهای قوی بین ذرات است. وجود پیوندهای قوی بین ذرات موجب می شود که ذرات در پیوندهای موجود اسیر گردند و امکان حرکت آزادانه نداشته باشند.

بدیهی است که هر چه این پیوندها بیشتر و قوی تر باشد، میزان محدودیت ذرات بیشتر و تحرک آن ها کمتر خواهد شد. بنابراین تعداد و چگونگی پیوند ها در میزان تحرک ذرات نقش اصلی را بازی می کند. با این توضیحات این سۆال مطرح می شود که در یک ساختار منظم و کامل بلوری میزان تحرک ذرات (آنیون ها و کاتیون ها) چگونه است و آیا میزان این تحرک با میزان تحرک بلورهای ناقص (دارای عیوب بلوری) متفاوت است؟

شکل 3ـ طرحی ساده از یک شبکه بلوری ناقص (دارای عیب جای خالی)

با در نظر گرفتن این نکته که در یک شبکه کامل هر یون در محل خاص خود قرار می گیرد و از طریق پیوندهای مشخص با یون های اطرافش در موضع خود مستقر می شود، می توان نتیجه گرفت که تحرک یون ها در این حالت به کمترین حد خود خواهد رسید، زیرا تمام پیوندهای ممکن در یک شبکه کامل تشکیل می شود و هیچ ظرفیتی برای برقراری پیوند خالی نمی ماند.

 در مقابل، در یک بلور ناقص به علت اضافه بودن یا کم بودن یک یون (مثلاً کم بودن یک آنیون که معادل است با اضافه بودن یک کاتیون، یا اضافه بودن یک آنیون که متناظر است با کم بودن یک کاتیون) امکان تشکیل تمامی پیوندهای ممکن وجود ندارد و از آنجا که هر پیوند همانند بندی است که یون ها را در محل خود محکم می کند، می توان انتظار داشت که در این حالت (بلور ناقص) میزان حرکت یون ها بیش از حالتی باشد که شبکه بلوری کامل است.

شکل 4ـ طرحی ساده از یک شبکه بلوری ناقص (دارای عیب بِین نشینی)

با مقایسه پیوند های موجود در شبکه بلوری کامل (شکل 2) و شبکه های بلوری دارای نقص (شکل های 3 و 4) می توان به تفاوت های ناشی از وجود عیوب که به آزادی حرکتی بیشتر  یون ها منجر می شود پی برد.

مرکز یادگیری تبیان - تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی