کریستالوگرافی
این علم ابتدا به دست زمین شناسان در شناسایی کانی ها توسعه یافت سپس شیمیدانان این علم را برای شناسایی مواد به کار گرفتند. پس از آن فیزیکدانان با به کار گیری پراش اشعه ایکس به پیشبرد آن کمک کردند.
همانطور که پیشتر آموختید، جامدها از اتم ها یا مولکول هایی که به طور تکراری و مرتب کنار هم قرار گرفته اند، تشکیل شده اند.
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.
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 ...، 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.
حال با کریستالوگرافی بیشتر آشنا می شویم.
بلورنگاری، بلورشناسی یا کریستالوگرافی (Crystallography)، زیر مجموعه ای از علم کانی شناسی یا مینرالوژی است و علم آرایش اتم ها در جامدات است و شاخه ای از علوم پایه است که به مطالعه ساختار مواد در ابعاد اتمی می پردازد.
این علم در یک نکته مهم از علوم فیزیک و شیمی که رابطه نزدیکی با آن دارند متمایز می شود.
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.
علم پایه در رشته های مختلفش عبارتند از:
- متالورژی و مواد
- معدن
- فیزیک حالت جامد
- ستاره شناسی
چرا کریستالوگرافی؟
در شناخت خواص و رفتار فیزیکی (شکل ظاهری، ضریب شکست نور، انتقال حرارت، هدایت الکتریکی و .... ) و مکانیکی مواد حایز اهمیت است و مبنای روش های مطالعه مواد را تشکیل می دهد.
کریستال یا بلور چیست؟
جامدی است که ساختار میکروسکوپی آن با دامنه (فاصله) مشخصی به صورت منظم در سه بعد (جهت) تکرار می شود.
بنابراین، کریستال ساختار منظمی دارد.
واحد ساختاری تکرار شونده موتیف (Motif) نام دارد.
ساختار تناوبی (تکراری) کریستال در ابعاد اتمی بر ویژگی های ماکروسکوپی مختلف آن مانند خواص فیزیکی (شامل هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی و ... ) و خواص مکانیکی (سختی، استحکام و ...) تاثیر می گذارد.
خواصی از ماده که وابسته به جهت نباشند، خواص همسانگرد (isotropic) نامیده می شوند.
خواصی از ماده که وابسته به جهت باشند، خواص ناهمسانگرد (anisptropic) نامیده می شوند.
نظم (Order)
تکرار یک الگوی منظم در فواصل مختلف نظم است.
ساختار منظم کریستالی
نزدیکترین فاصله ای که این اتم ها یا یون ها در ساختار قرار می گیرند می تواند بیانگر بسیاری از رفتارهای یک ماده باشد.
ساختار منظم کریستالی
راحت ترین روش ساخت یک کریستال در سه بعد این است که لایه دوم اتمی یا یونی کاملا در بالای مراکز اتم ها یا یون های صفحه پایینی قرار گیرد.
اما در عمل این اتفاق نمی افتد و لایه های دوم تمایل دارند در فضاهای خالی میان اتم ها یا یون های لایه پایینی جای بگیرند.
اما برای قرارگیری لایه سوم دو حالت محتمل وجود دارد، در بالای لایه اول، یا در فضاهای خالی لایه دوم.
ساختار کریستالی یک بعدی
ساختار کریستالی در فواصل منظم به اندازه a=|a ⃗ | در راستای یک خط راست در جهت نشان داده شده تکرار می شود. حرکت از هر نقطه ای در ساختار به اندازه a به نقطه مشابه می انجامد.
بردار|a ⃗ | معرف بردار جابجایی اولیه است.
اشاره شد که با حرکت به اندازه |a ⃗ | و مضرب صحیحی از آن در راستای تعیین شده به نقطه مشابهی می رسیم.
تعریف شبکه (lattice)
آرایش (چیدمان) متناوب نقاط در فضا که موقعیت آن با بردار جابجایی اولیه تعیین می شود، شبکه نام دارد.
چیدمان اتم های ساختار در یک کریستال از هر نقطه از شبکه آن یکسان است.
شبکه یک مفهوم (مدل) ریاضی است که برای بیان دقیق تر ساختار کریستال و جابجایی های اتمی در آن به کار می رود.
بیان شماتیک شبکه در فضای یک بعدی به کمک مفهوم نقاط شبکه
نقاط شبکه دارای موقعیت مشابهی در ساختار کریستالی هستند و لزوما اتم های ساختار نیستند.
بنابر این تعریف، ساختار کریستالی در اثر جابجایی با بردار a همواره دارای تعداد معینی اتم (یا یون) خواهد بود.
بردار جابجایی a بیانگر سلول واحد (unit cell) شبکه است.
سلول واحد شبکه دقیقاً یک نقطه شبکه دارد.
با تکرار سلول واحد شبکه در فواصل a، ساختار کریستالی منظم به وجود می آید.
