سامانه تبلور: الگوی منظم قرار گرفتن ذرات در ساختار بلور
بلور چیست و چرا نظم آن مهم است؟
اگر به دانههای برف زیر یک ذرهبین نگاه کنید، زیبایی و تقارن خیرهکنندهای مشاهده میکنید. این شکلهای منظم، نتیجهٔ آرایش اتمهای آب در یک الگوی تکرارشونده است. به مواد جامدی که اتمها، یونها یا مولکولهای آنها در یک الگوی سهبعدی منظم و تکرارشونده کنار هم قرار گرفتهاند، بلور میگویند. در مقابل، موادی مانند شیشه یا پلاستیک که ذرات آنها به صورت نامنظم چیده شدهاند، بیشکل5 نامیده میشوند.
این نظم و ترتیب، خواص فیزیکی و شیمیایی ویژهای به بلورها میدهد. برای مثال، الماس که یکی از سختترین مواد شناخته شده است، به دلیل آرایش بسیار منظم و محکم اتمهای کربن در شبکه بلوری خاص خود به این سختی رسیده است. از سوی دیگر، بلور نمک طعام (سدیم کلرید) به دلیل نوع پیوند و آرایش یونها، در آب به راحتی حل میشود.
اجزای تشکیلدهنده یک شبکه بلوری
برای توصیف دقیق آرایش ذرات در بلور، از مفهوم شبکهٔ بلوری6 استفاده میکنیم. تصور کنید یک نقشهٔ شطرنجی سهبعدی بینهایت بزرگ دارید. هر تقاطع این شبکه، یک گره نام دارد. در هر گره، یک اتم، یون یا گروهی از اتمها قرار میگیرد. کوچکترین بخشی از این شبکه که با تکرار آن در سه جهت فضا میتوان کل بلور را ساخت، سلول واحد نامیده میشود. سلول واحد مانند آجر ساختمان بلور است.
| نوع پیوند در بلور | توضیح (ذرات تشکیلدهنده) | مثال ملموس | ویژگی بارز |
|---|---|---|---|
| یونی | یونهای مثبت و منفی که با نیروی الکتریکی کنار هم نگه داشته شدهاند. | نمک طعام (NaCl) | سختی متوسط، نقطه ذوب بالا، رسانای برق در حالت مذاب. |
| فلزی | یونهای مثبت فلز در دریایی از الکترونهای آزاد. | مس (Cu)، طلا (Au) | رسانای عالی گرما و برق، چکشخوار و قابل انعطاف. |
| کوالانسی شبکهای | اتمهایی که با پیوندهای مشترک محکم به هم متصل شدهاند و یک شبکه عظیم میسازند. | الماس (C)، کوارتز (SiO₂) | بسیار سخت، نقطه ذوب بسیار بالا، نارسانای برق. |
| مولکولی | مولکولهایی که با نیروهای ضعیف واندروالسی کنار هم جمع شدهاند. | یخ (H₂O)، نفتالین | نرم، نقطه ذوب و جوش پایین، اغلب نارسانا. |
هفت سامانه بلوری: هندسههای پایه
با توجه به اندازهٔ بردارهای $a$، $b$، $c$ و زوایای بین آنها، بلورها در هفت سامانه بلوری اصلی دستهبندی میشوند. هر سامانه، شکل خاصی از سلول واحد را تعریف میکند.
به عنوان مثال، در سامانه مکعبی، سه بردار طول مساوی دارند و زوایا همگی $90^\circ$ ($\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$) هستند. نمک طعام و الماس در این سامانه قرار میگیرند. در مقابل، سامانهای مثل سهشیب، کلیترین حالت را دارد که در آن هیچیک از اضلاع برابر و هیچیک از زوایا قائمه نیستند. برخی از کانیهای پیچیده دارای این سامانه هستند.
تبلور در عمل: از آب نبات تا تراشههای کامپیوتری
فرآیند تشکیل بلور را تبلور7 مینامند. این پدیده را میتوان به سادگی در خانه مشاهده کرد. وقتی یک محلول بسیار غلیظ از شکر (شربت) را سرد میکنید یا آن را برای مدت طولانی میجوشانید تا آب آن تبخیر شود، بلورهای قند یا همان آبنبات تشکیل میشوند. در این فرآیند، مولکولهای شکر از حالت پراکنده در آب، شروع به مرتب شدن و چسبیدن به یکدیگر در یک الگوی منظم میکنند.
در صنعت و فناوری، کنترل دقیق سامانه تبلور حیاتی است. برای ساخت تراشههای سیلیکونی در قلب کامپیوترها و گوشیهای هوشمند، نیاز به بلورهای سیلیکون با خلوص و نظم اتمی بسیار بالا داریم. این بلورهای بزرگ (شِingle) در شرایط کاملاً کنترلشدهای از نظر دما و فشار رشد داده میشوند تا کوچکترین نقصی در شبکه بلوری آنها ایجاد نشود، زیرا هر نقصی میتواند عملکرد ریزتراشه را مختل کند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. بسیاری از جامدات مانند شیشه، قیر و بیشتر پلاستیکها بیشکل هستند. ذرات در این مواد فاقد نظم بلند-برد منظم بلورها هستند و بیشتر شبیه مایعاتی هستند که بسیار کند حرکت کرده و جامد شدهاند.
پاسخ: شکل ظاهری یک بلور (که به آن رخبلور9 میگویند) به سامانه بلوری و شرایط رشد (مثل دما، فضای موجود، ناخالصیها) بستگی دارد. نمک طعام در سامانه مکعبی متبلور میشود و تمایل به تشکیل مکعبهای ساده دارد. اما کوارتز در سامانه ششوجهی است و تحت شرایط ایدهآل، منشورهای ششضلعی پیچیدهای با نوک هرمی شکل میگیرد.
پاسخ: این به دلیل وجود صفحات ضعف در ساختار بلور است. پیوند بین ذرات در راستاهای مختلف شبکه، قدرت یکسانی ندارد. هنگام اعمال نیرو، شکست در امتداد صفحهای رخ میدهد که پیوندها در آن ضعیفتر یا فاصله ذرات بیشتر است. این صفحات منظم و تخت، رخ یا صفحهٔ جدایش بلور نامیده میشوند.
پاورقی
1 سامانه تبلور (Crystal System)
2 بلور (Crystal)
3 سلول واحد (Unit Cell)
4 گرههای شبکه (Lattice Points)
5 بیشکل (Amorphous)
6 شبکهٔ بلوری (Crystal Lattice)
7 تبلور (Crystallization)
8 فوق اشباع (Supersaturation)
9 رخبلور (Crystal Habit)
