close
تبلیغات در اینترنت
بلور شناسی:آشنایی با کریستالوگرافی یا بلور نگاری

تبليغات

ارتباط با مدیر

    http://rozup.ir/view/2527034/2.png

    http://rozup.ir/view/2527035/3.png

آرشيو

درباره ما

    هدف ما به اشتراک گذاشتن مطالب جالب و مفید است، به امید موفقیت روز افزون

امکانات جانبي

تبليغات

    Rozblog.com رز بلاگ - متفاوت ترين سرويس سایت ساز

ورود کاربران

عضويت سريع

    نام کاربری :
    رمز عبور :
    تکرار رمز :
    ایمیل :
    نام اصلی :
    کد امنیتی : * کد امنیتیبارگزاری مجدد

نظرسنجي

    به نظر شما آیا رشته ی شیمی آینده مطلوب تری نسبت به سایر رشته ها دارد ؟


آمار

    آمار مطالب آمار مطالب
    کل مطالب کل مطالب : 26
    کل نظرات کل نظرات : 7
    آمار کاربران آمار کاربران
    افراد آنلاين افراد آنلاين : 2

    آمار بازديدآمار بازديد
    بازديد امروز بازديد امروز : 103
    بازديد ديروز بازديد ديروز : 106
    ورودي امروز گوگل ورودي امروز گوگل : 16
    ورودي گوگل ديروز ورودي گوگل ديروز : 11
    آي پي امروز آي پي امروز : 60
    آي پي ديروز آي پي ديروز : 59
    بازديد هفته بازديد هفته : 209
    بازديد ماه بازديد ماه : 1,850
    بازديد سال بازديد سال : 10,743
    بازديد کلي بازديد کلي : 10,743

    اطلاعات شما اطلاعات شما
    آي پي آي پي : 34.204.171.108
    مرورگر مرورگر :
    سيستم عامل سيستم عامل :
    تاريخ امروز امروز : سه شنبه 30 مهر 1398

بلور شناسی:آشنایی با کریستالوگرافی یا بلور نگاری

بلور شناسی:آشنایی با  کریستالوگرافی یا بلور نگاری

بلورنگاری،بلورشناسی یا کریستالوگرافی (به انگلیسی: Crystallography) دانشی است که به قوانین حاکم بر حالت بلورین مواد جامد، آرایش اتمی/مولکولی بلورها، خواص فیزیکی و شیمیایی و ساخت، رشد و شناسایی بلورها می‌پردازد.

این علم در اول بدست زمین‌شناسان در شناسایی کانی‌ها توسعه یافت سپس شیمیدانان این علم را برای شناسایی مواد بکار گرفتند. پس از آن فیزیکدانان با بکار گیری پراش اشعه ایکس به پیشبرد آن کمک کردند.

در بیشتر کشورها به ویژه در آلمان، بلورشناسی بخشی از کانی‌شناسی است ولی در کشورهایی مانند انگلستان و ایالات متحده غالبآ به صورت بخشی از فیزیک یا شیمی تدریس می‌شود.

اکثر کشورها یک کمیتهٔ ملی بلورشناسی دارند که نمایندهٔ اتحادیهٔ بین‌المللی بلورشناسی است. این اتحادیه گاهنامهٔ آکتا کریستالوگرافیکا (یادداشت‌های بلورشناختی) و جدول‌های بین‌المللی بلورشناسی را منتشر می‌کند.

جامد کریستالی شکل جامدی از ماده است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها در یک طرح تکرارشونده معین در سه بعد مرتب شده‌اند. در واقع در کریستال‌ها، اتم‌ها با الگویی که در سه بعد تکرار می‌شود، کنار هم قرار می‌گیرند. به این آرایش منظم سلول واحد (Unit Cell) گفته می‌شود. علاوه بر مشخص بودن شکل هندسی، خاصیت ناهمسانگردی (تفاوت خواص در جهات مختلف کریستالی) و تقارن از خصوصیات دیگر کریستال‌ها است. مواد کریستالی به دو دسته مواد تک بلور (Single Crystal) و چند‌ بلور (Poly Crystal) تقسیم می‌شود.
تک کریستال ساختاری اتمی دارد که به‌طور منظم در کل حجم تکرار می‌شود. تک کریستال‌ها در بهترین حالت ممکن هستند و درجه نظم بالایی دارند و تکرار هندسی منظم آن‌ها در تمامی حجم ماده دیده می‌شود. شکل 3 چگونگی قرارگیری اتم‌ها در یک تک‌بلور را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_1779cf3aa50c413af
شکل 3- چگونگی قرارگیری اتم‌ها در یک تک‌بلور [1]
 
جامد چند کریستالی ماده‌ای است که از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی تک‌کریستال متفاوت به نام کریستالیت یا دانه (Grain) ایجاد شده است. نظم اتمی از یک حوزه به حوزه دیگر در دانه‌ها تغییر می‌کند. این نواحی (دانه‌ها) از طریق مرزهایی از هم جدا شده‌اند که مرزدانه (Grain Boundary) نامیده می‌شود. تغییر نظم باعث ضعیف شدن پیوندها در مرزدانه‌ها می‌شود. نواحی منظم یا نواحی تک کریستال از نظر ابعاد و شکل مرتب شدن در کنار هم، با یکدیگر متفاوتند. قطر متوسط دانه‌بندی‌ها معمولاً 10 نانومتر تا 100 میکرومتر است و جامدهای چند کریستالی با دانه‌بندی‌هایی که متوسط قطر آن از 100 نانومتر کمتر است، نانوکریستال نامیده می‌شوند. شکل 4 نحوه قرارگیری اتم‌ها در یک چند بلور و محل مرزدانه‌ها را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_6e1fcd704528ad8bf
شکل 4- نحوه قرارگیری اتم‌ها در یک چند بلور [1]
 
قابل ذکر است که نمی‌توان ساختاری ساخت و ادعا کرد این ساختار یک کریستال کامل است. عیوب کریستالی، عیوب حرارتی و ناخالصی‌ها از جمله عیوبی هستند که نظم کریستالی را کاهش می‌دهند. یک کریستال کامل کاملاً مات است و این در حالی است که با تغییر میزان حالت کریستالی، شفافیت کریستال تغییر می‌کند. همچنین تقارن نیز از پارامترهای مهم یک کریستال است که تأثیر فراوانی در خواص ماده دارد.

شبکه کریستالی (Crystal Lattice) یا شبکه فضایی (Space Lattice)
در کریستالوگرافی تنها خواص هندسی کریستال مورد توجه قرار می‌گیرد، بنابراین محل هر اتم یا مولکول با یک نقطه هندسی در محل تعادلی آن اتم یا مولکول نشان داده می‌شود. شبکه کریستالی دسته نامحدودی از نقاط در فضا است که در مکان‌های مشخص به شکل تناوبی تکرار می‌شوند. با قرار دادن یک اتم، گروه‌هایی از اتم‌ها یا مولکول‌ها در نقاط شبکه کریستالی، یک ساختار کریستالی به‌دست می‌آید. به هر اتم، گروه اتمی یا مولکولی که در نقاط دیگر تکرار می‌شود پایه (Basis) اطلاق می‌گردد. شبکه (Lattice) نیز دسته‌ای از نقاط در فضا است که هر نقطه محیط متشابهی دارد. ساده‌ترین واحد کریستال همان‎طور که بیان شد، سلول واحد نامیده می‌شود. فضا از تکرار سلول‌های واحد پر می‌شود و شبکه را پدید می‌آورد.
شبکه‌های کریستالی به دو دسته معروف شبکه‌های براوه و شبکه‌های غیربراوه تقسیم می‌شوند. در شبکه‌های براوه همه اتم‌ها از یک نوع و همه نقاط شبکه معادل هم هستند. اما در شبکه‌های غیربراوه چند نوع اتم قرار دارد و برخی مکان‌های شبکه با هم متمایزند. در واقع شبکه‌های غیربراوه تلفیق دو یا چند شبکه براوه هستند.
یک شبکه فضایی مجموعه‌ای از نقاط با فواصل برابر است که هر نقطه از شبکه را می‌توان با یک بردار مشخص کرد. در این رابطه n2، n1 و n3 عددهای صحیح و b ،a و c بردارهای یکه در سه جهت هستند. شکل 5 بردار نقطه P را در یک سلول واحد نشان می‌دهد.
Rn = n1a + n2b+ n3C

filereader.php?p1=main_74ce2e1a498f2fa27
شکل 5- بردار نقطه P در یک سلول واحد [2]
 
با بررسی مواد در حالت دو بعدی، 5 نوع شبکه براوه قابل تعریف است. شکل 6 سلول‌های واحد این پنج شبکه کریستالی دو بعدی را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_64e4cda19b3f3ea4a
شکل 6- سلول‌های واحد پنج شبکه کریستالی دو بعدی [3]
 
جهت بررسی دقیق‌تر باید کریستال را به صورت سه بعدی آنالیز کرد. شکل 7 سلول‌های واحد هفت نوع شبکه کریستالی در حالت سه‌بعدی را نشان می‌دهد. مشخصات هر شبکه همراه با نام آن‌ها در شکل آورده شده است. این شبکه‌ها شامل شبکه‌های مکعبی، شش‌گوشه، مکعب مستطیلی، رومبوهدرال، اورتورومبیک، مونوکلینیک و تریکلینیک هستند. برخی از این شبکه‌ها نیز خود به چند دسته تقسیم می‌شوند و در مجموع 14 شبکه براوه سه بعدی در این هفت سیستم کریستالی وجود دارد. شکل 8 این چهارده شبکه براوه را نشان می‌دهد. به‌دلیل سادگی و اهمیت بالاتر شبکه مکعبی و شش‌گوشه (هگزاگونال)، در ادامه بیشتر به بحث در مورد این شبکه‌ها می‌پردازیم.

filereader.php?p1=main_6c664eeed34d9c29a
شکل 7- سلول‌های واحد شبکه کریستالی در حالت سه‌بعدی [2]
 
filereader.php?p1=main_581c3010417303e1e
شکل 8- چهارده شبکه براوه [1]
 
پیش از بررسی شبکه‌های براوه نیاز به تعریف چند پارامتر در کریستالوگرافی است.

الف) پارامتر شبکه (Lattice Parameter)
اطلاعاتی از سلول واحد که به واسطه آن‌ها بتوان اندازه، ابعاد و شکل سلول واحد را مشخص کرد. در شبکه‌های مکعبی طول یال سلول واحد و زاویه بین یال‌ها (که 90 درجه است) پارامتر شبکه‌ای نامیده می‌شود. همچنین به یال یا اضلاع هر سلول واحد، ثابت شبکه هم اطلاق می‌شود. اندازه ثابت شبکه نیز بر اساس انگستروم یا نانومتر بیان می‌شود و زاویه بین یال‌ها بر حسب زاویه بیان می‌شود. در سلول واحد هگزاگونال به دلیل تفاوت در فاصله بین اتم‌ها در سطح مقطع و ارتفاع آن، ثابت شبکه با دو پارامتر a و c بیان می‌شود. شکل 7 تصویر سلول‌های واحد شبکه کریستالی را همراه با ثوابت شبکه آن‌ها نشان می‌دهد.
 
ب) فاکتور فشردگی اتم‎ها (Packing Factor)
میزان پرشدن فضای شبکه توسط اتم‌ها، یا حجم اتم‌های داخل سلول واحد تقسیم بر حجم کل سلول واحد را فاکتور فشردگی اتم‌ها می‌نامند.

filereader.php?p1=main_cd3dc8b6cffb41e41

ج) عدد همسایگی (Coordination Number)
نزدیک‌ترین نقاط شبکه براوه به یک نقطه خاص عدد کوردینانسی را مشخص می‌کنند. چون شبکه براوه تناوبی تکرار می‌شود، همه نقاط تعداد یکسانی نقاط همسایه یا عدد کوردینانسی دارند که این خاصیتی از شبکه است.

د) تسلسل چیدن (Stacking Sequence)
شبکه کریستالی از روی‌هم قرار گرفتن تعدادی زیادی صفحات اتمی تشکیل شده است که نحوه قرار گرفتن این لایه‌ها روی هم را تسلسل چیدن می‌گویند.

6- شبکه‌های کریستالی مکعبی
جهت بررسی ساختارهای کریستالی ابتدا به بررسی شبکه‌های کریستالی مکعبی می‌پردازیم. همان‌طور که در شکل 8 نشان داده شد، سه دسته اساسی ساختارهای مکعبی شامل ساختار مکعبی ساده، ساختار مکعبی مرکزپر و ساختار مکعبی با وجوه پر هستند که به بررسی هر یک می‌پردازیم. شکل 9 این سه ساختار را در کنار هم نشان می‌دهد.
filereader.php?p1=main_6506f0388343a1f09
شکل 9- تصویر سه ساختار مکعبی [1]
 
الف) ساختار مکعبی ساده (Simple Cubic یا SC)
در این ساختار اتم‌ها تنها در گوشه‌ها قرار دارند؛ بنابراین عدد همسایگی این ساختار شش است. به‌دلیل این‌که هر اتم در گوشه متعلق به هشت واحد شبکه است، یک اتم در ساختار مکعبی در هر واحد شبکه قرار می‌گیرد. این موضوع در شکل 10 به‌خوبی به نمایش در آمده است. فاکتور فشردگی اتم‌ها در این ساختار 0.52 است. محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها نیز در شکل 11 آمده است. در این ساختار، تماس هر اتم با همسایه‌هایش از مسیر ضلع مکعب واحد شبکه است و بر این اساس محاسبات صورت می‌پذیرد.

filereader.php?p1=main_82b5f6802b727b0d9
شکل 10- ساختار شبکه‌ای مکعبی ساده [2]
 
filereader.php?p1=main_f344a40a52a94ab79
شکل 11- محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها در ساختار مکعبی ساده [2]
 
ب- ساختار مکعبی مرکزپر (Body Centered Cubic یا BCC)
در این ساختار اتم‌ها در گوشه‌ها و مرکز مکعب قرار دارند، بنابراین عدد همسایگی این ساختار هشت است. به همین دلیل نیز در هر واحد شبکه دو اتم، یک اتم در مرکز مکعب و یک اتم در گوشه‌ها، موجود است. این موضوع در شکل 12 به‌خوبی به نمایش درآمده است. فاکتور فشردگی اتم‌ها در این ساختار 0.68 است. محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها نیز در شکل 13 آمده است. تماس هر اتم با همسایه‌هایش از مسیر قطر مکعب واحد شبکه است و بر این اساس محاسبات صورت می‌پذیرد. بسیاری از فلزات شامل فلزات قلیایی مانند سدیم و بسیاری از عناصر واسطه مانند آهن در دمای محیط، ساختار BCC را انتخاب می‌کنند.

filereader.php?p1=main_8039b4e0e6fe78bee
شکل 12- ساختار شبکه‌ای مکعبی مرکزپر [2]

filereader.php?p1=main_89b45ff321063b749
شکل 13- محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها در ساختار مکعبی مرکزپر [2]
 
ج- ساختار مکعبی با وجوه پر (Face Centered Cubic یا FCC)
در این ساختار اتم‌ها در گوشه‌ها و مرکز وجوه قرار دارند، بنابراین عدد همسایگی این ساختار دوازده است. به همین دلیل نیز در هر واحد شبکه چهار اتم، سه اتم در مرکز وجوه و یک اتم در گوشه‌ها، موجود است. این موضوع در شکل 14 به خوبی به نمایش درآمده است. فاکتور فشردگی اتم‌ها در این ساختار 0.74 است. محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها نیز در شکل 15 آمده است. تماس هر اتم با همسایه‌هایش از مسیر قطر وجوه واحد شبکه است و بر این اساس محاسبات صورت می‌پذیرد. بسیاری از فلزات معمول مانند مس، نیکل و سرب در ساختار FCC شکل می‌گیرند.

filereader.php?p1=main_1323fd7c68edb3676
شکل 14- ساختار شبکه‌ای مکعبی با وجوه پر [2]
 
filereader.php?p1=main_08581c1c7f8bf2806
شکل 15- محاسبات مربوط به فاکتور فشردگی اتم‌ها در ساختار مکعبی با وجوه پر [2]
 
7- شبکه کریستالی هگزاگونال فشرده (Hexagonal Closed Packed یا HCP)
مهم‎ترین ساختار کریستالی، ساختار کریستالی هگزاگونال فشرده است. این ساختار در شکل 16 نشان داده شده است. عدد همسایگی این ساختار دوازده است و در هر واحد شبکه شش اتم، سه اتم در مرکز شش‌وجهی و سه اتم در دو صفحه قاعده، موجود است. فاکتور فشردگی اتم‌ها در این ساختار 0.74 است. تعدادی از فلزات معمول مانند منیزیم و تیتانیم در ساختار HCP شکل می‌گیرند.

filereader.php?p1=main_a2449b6477c1fef79
شکل 16- ساختار شبکه‌ای هگزاگونال فشرده [2]
 
8- شبکه‌های کریستالی دیگر
شبکه‌های کریستالی بحث شده تا به اکنون، ساده‌ترین شبکه‌های کریستالی سه‌بعدی قابل بحث بودند. اما ساختارهای کریستالی پیچیده‌تری نیز وجود دارند که گاهی از ترکیب ساختارهای ساده ایجاد می‌شوند. در این قسمت به معرفی تعدادی از ساختارهای کریستالی ترکیبات و مواد کووالانسی می‌پردازیم.

الف) ساختار کلرید سدیم
کلرید سدیم، فلورید لیتیم و تعدادی دیگر از ترکیبات یونی دیگر در شبکه کریستال مکعبی به نام ساختار کلرید سدیم متبلور می‌شوند. در این‌جا سلول واحد اندکی متفاوت است. ساختار کلرید سدیم شامل تعداد برابری یون سدیم و کلر است که در نقاط یکی در میان یک شبکه کریستالی قرار گرفته‌اند؛ بنابراین هر یون با شش نوع یون دیگر همسایه است. این ساختار کریستالی در شکل 17 نشان داده شده است. اگر اتم‌های سدیم یا کلر را در نظر نگیریم، متوجه می‌شویم که ساختار اتم‌های باقیمانده FCC است. بنابراین ساختار کلرید سدیم ترکیبی از دو ساختار FCC است.

filereader.php?p1=main_fe397f3f6f24b8500
شکل 17- ساختار کلرید سدیم [1]

ب) ساختار الماس
شبکه الماس شامل دو شبکه با وجوه مرکزپر است که به داخل همدیگر نفوذ کرده‌اند. 8 اتم در ساختار الماس وجود دارد و هر اتم کربن در این ساختار با چهار اتم دیگر پیوند برقرار کرده است. سیلیسیم و ژرمانیم نیز با همین ساختار بلوری می‌شوند. شکل 18 ساختار الماس را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_d60ea3899962ccffb
شکل 18- ساختار الماس [1]
 
9- جهات و صفحات کریستالی
در هر سلول واحد می‌توان نقاط شبکه‌ای تعریف کرد که مکان قرارگیری اتم‌ها و یون‌ها باشند. شکل 19 این مکان‌ها را در یک سلول واحد مکعبی نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_599f127bd63e32d6f
شکل 19- مکان‌ها شبکه‌ای در یک سلول واحد مکعبی [1]
 
جهت تعیین جهات شبکه‌ای بدین صورت عمل می‌کنیم: در اینجا یک نقطه شبکه را به عنوان مبدأ در نظر گرفته و اسم آن را مبدأ (Origin) می‌گذاریم. انتخاب مبدأ کاملاً دلخواه است زیرا نقاط شبکه تفاوتی با هم ندارند. سپس نقطه‌ای از شبکه را انتخاب کرده و آن را T می‎نامیم. نقطه O را به آن با یک خط وصل می‌کنیم. با کم کردن مؤلفه‌های این دو نقطه، بردار شبکه را می‌توان به شکل زیر نوشت:

R = n1x + n2y+ n3Z

برای نگارش جهت شبکه‌ای، سه مؤلفه فضایی n1,n2,n3 را به گونه‌ای مرتب می‌کنیم تا به‌صورت کوچک‌ترین اعداد صحیح تبدیل شوند. سپس آن‌ها را در داخل براکت [...] قرار می‌دهیم. این سه عدد به صورت [u1 u2 u3] نوشته می‌شوند. شکل‌های 20 و 21 نمونه‌هایی از این جهات را نشان می‌دهد. این نحوه نگارش به اندیس میلر معروف است.

filereader.php?p1=main_3ad32b999fe4b4b2f
شکل‌ 20- نمونه‌هایی از جهات شبکه‌ای [2]
 
filereader.php?p1=main_fc698bd6eba4453d1
شکل‌ 21- نمونه‌هایی از جهات شبکه‌ای [2]
 
وقتی که جهت را برای اعداد داخل براکت می‌نویسیم، به مبدأ توجه کرده و علامت‌های منفی را در این‎جا با یک خط روی هر عدد [ū1 ū2 ū3] نشان می‌دهیم.
حال به بررسی صفحات کریستالی می‌پردازیم. پیش از انجام این بحث باید اشاره شود که بعضی صفحات در کریستال از اهمیت خاصی برخوردارند. به‌عنوان مثال، شکل‌دهی فلزات در امتداد صفحات خاصی در کریستال رخ می‌دهد یا این‌که رسانایی الکتریکی در امتداد صفحات مختلف ممکن است متفاوت باشد. بنابراین شناسایی صفحات مختلف از اهمیت خاصی برخوردار است. در یک شبکه کریستالی مجموعه صفحات، موازی و با فاصله برابر در کریستال قرار دارند. همچنین تراکم نقاط شبکه روی هر صفحه از دسته صفحات با هم برابر است و همه نقاط شبکه در صفحه و موقعیت مشابهی تکرار می‌شوند. در این‌جا نیز به‌مانند جهات کریستالی، اندیس‌های میلر نمایش برداری نمادین برای آرایش یک صفحه از اتم‌ها در یک شبکه کریستال است و کسر معکوس محل تلاقی‌های صفحه با محورهای کریستالوگرافی در نظر گرفته می‌‍‌‌‍‎‎شود. برای تعیین اندیس‌های میلر یک صفحه مراحل زیر را انجام دهید:

مرحله 1- محل تقاطع صفحه را با سه محور کریستالوگرافی تعیین کنید.
مرحله 2- کسر معکوس هر نقطه را ترسیم کنید.
مرحله 3- کسر معکوس را در کوچک‌ترین ضریب ضرب کنید به‌گونه‌ای که کوچک‌ترین اعداد صحیح پدید آید. حال به مثال‌های زیر، در شکل‌های 22 تا 28 توجه کنید.
 
filereader.php?p1=main_186381290b21833e0
شکل 22- صفحات کریستالی
 
filereader.php?p1=main_8ea5d22eba2d75b76
شکل 23- صفحات کریستالی
 
filereader.php?p1=main_1ff1de774005f8da1
شکل 24- صفحات کریستالی

filereader.php?p1=main_559afd0979bb51e75
شکل 25- صفحات کریستالی


filereader.php?p1=main_dd724f3d232d14257
شکل 26- صفحات کریستالی

filereader.php?p1=main_2265df34b6bfe11d5
شکل 27- صفحات کریستالی
 
filereader.php?p1=main_9ee80664be5e7dc42
شکل 28- صفحات کریستالی

منابع

The Science and Engineering of Materials, Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright, Sixth Edition, Cengage Learning, Inc

Materials Science and Engineering, An Introduction, William D. Callister, David G. Rethwisch, Eight Edition, John Wiley & Sons, Inc

3- Introduction to Nanotechnology, Charles P. Poole Jr., Frank J. Owens, John Wiley & Sons, Inc.


تاريخ ارسال پست: پنجشنبه 26 ارديبهشت 1398 ساعت: 3:2
برچسب ها : ,,,,,

مطالب مرتبط

بخش نظرات اين مطلب


نام
ایمیل (منتشر نمی‌شود) (لازم)
وبسایت
:) :( ;) :D ;)) :X :? :P :* =(( :O @};- :B /:) :S
نظر خصوصی
مشخصات شما ذخیره شود ؟ [حذف مشخصات] [شکلک ها]
کد امنیتیرفرش کد امنیتی