شبکه بلوری (Crystal Lattice)[1]: نقشهای منظم از ذرات
بلور چیست و شبکه بلوری چه شکلی است؟
بسیاری از جامدات اطراف ما، مانند شکر، یخ و نمک طعام، ساختار بلورین دارند. یعنی ذرات تشکیلدهندهی آنها (اتمها، یونها یا مولکولها) نه به صورت نامنظم، بلکه طبق یک الگوی منظم و تکرارشونده در سه بعد کنار هم چیده شدهاند. این الگوی کلی و نامحدود، شبکهی بلوری نام دارد.
برای تصور آن، یک کاغذ دیواری را در نظر بگیرید که یک نقش کوچک (مثلاً یک گل) بارها و بارها در ردیفهای منظم تکرار شده است. در دنیای بلورها، آن «نقش کوچک» که با تکرار آن کل شبکه ساخته میشود، سلول واحد[2] نامیده میشود. سلول واحد کوچکترین بخشی از شبکه است که با تکرار آن در سه جهت فضا، میتوان کل شبکهی نامحدود بلور را ساخت.
نقاط تقاطع خطوط در این شبکه (مکانهایی که ذرات در آنها قرار میگیرند)، گره[3] نامیده میشوند. هر گره نمایندهی یک ذره (مثلاً یک اتم سدیم در نمک) است.
انواع اصلی سلولهای واحد و شبکههای بلوری
هفت سیستم بلوری[4] اصلی وجود دارد که بر اساس طول اضلاع و زوایای بین آنها در سلول واحد تعریف میشوند. اما سادهترین انواع شبکههای بلوری که میتوان آنها را در این سیستمها یافت، به شرح زیر است:
| نام شبکه | توضیح و شکل سلول واحد | مثال عملی |
|---|---|---|
| مکعبی ساده[5] | ذرات فقط در گوشههای یک مکعب قرار دارند. هر ذرهی گوشه بین 8 سلول مجاور مشترک است. | بعضی از فلزات در دماهای خاص (مانند پولونیم). |
| مکعبی مرکزپر[6] | ذرات در گوشهها و همچنین یک ذره در دقیقاً مرکز مکعب قرار دارد. | فلزات رایج مانند آهن، کروم و تنگستن. |
| مکعبی وجهپر[7] | ذرات در گوشهها و همچنین در مرکز هر یک از شش وجه مکعب قرار دارند. | فلزاتی مانند آلومینیوم، مس، طلا و نقره. |
| ششگوشه[8] | سلول واحد به شکل منشور ششضلعی است. این ساختار چیدمان فشردهتری ایجاد میکند. | فلزاتی مانند منیزیم، روی و کادمیوم. |
چگالی یک بلور را میتوان با دانستن نوع شبکهی بلوری، تعداد ذرات در هر سلول واحد و ابعاد سلول واحد محاسبه کرد. این یک کاربرد مهم از مفهوم شبکه است.
شبکه بلوری در جهان واقعی: از الماس تا نمایشگرها
نوع شبکهی بلوری به طور مستقیم بر خواص فیزیکی ماده تأثیر میگذارد. دو مثال معروف را با هم مقایسه میکنیم:
گرافیت و الماس: هر دو از اتمهای کربن خالص ساخته شدهاند. اما تفاوت شگفتانگیز آنها (گرافیت نرم و سیاه برای مداد، الماس سختترین ماده و شفاف) تنها به دلیل تفاوت در شبکهی بلوری آنهاست. در الماس، هر اتم کربن با چهار اتم دیگر پیوند محکمی برقرار کرده و شبکهای 3بعدی بسیار مستحکم میسازد. در گرافیت، اتمها در صفحات 2بعدی ششضلعی آرایش یافتهاند که این صفحات میتوانند به راحتی روی هم بلغزند.
در نمایشگر LED/OLED: مواد نیمههادی[9] به کار رفته در این نمایشگرها، مانند گالیوم آرسنید، باید به صورت بلورهای تقریباً کامل رشد داده شوند. کیفیت و خلوص شبکهی بلوری این مواد، بر روی راندمان نوردهی و رنگ نور تولید شده تأثیر مستقیم دارد. هر گونه نقص در شبکه (جاهای خالی یا اتمهای ناخالصی) میتواند عملکرد دستگاه را کاهش دهد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. جامدات به دو دستهی اصلی بلورین و بیشکل[10] (مانند شیشه) تقسیم میشوند. در جامدات بیشکل، ذرات نظم بلندبرد ندارند و تنها در فواصل کوتاه نظم مشخصی دیده میشود. پس مفهوم «شبکهی بلوری» فقط برای جامدات بلورین کاربرد دارد.
سلول واحد یک مفهوم نظری و هندسی است. ما نمیتوانیم یک سلول واحد را به صورت فیزیکی جدا کنیم، زیرا تمام سلولها در شبکه به هم پیوستهاند. اما میتوان با روشهایی مانند پراش پرتو ایکس[11]، الگوی شبکه و ابعاد سلول واحد را تعیین و تجسم کرد.
خیر. شبکه میتواند از اتمها (مثل الماس)، یونها (مثل نمک طعام) یا حتی مولکولها (مثل یخ) تشکیل شده باشد. در مورد یخ، هر گره شبکه را یک مولکول آب ($\ce{H2O}$) تشکیل میدهد که به شکل منظمی با پیوند هیدروژنی به دیگر مولکولها متصل شده است.
پاورقی
[1] Crystal Lattice
[2] Unit Cell
[3] Lattice Point
[4] Crystal Systems
[5] Simple Cubic (SC)
[6] Body-Centered Cubic (BCC)
[7] Face-Centered Cubic (FCC)
[8] Hexagonal Close-Packed (HCP)
[9] Semiconductor
[10] Amorphous Solid
[11] X-ray Diffraction (XRD)
[12] Crystallography: علم مطالعهی آرایش اتمها در مواد بلورین.
