النظام البلوري للمواد الصلبة

منذ الستينيات، أصبح المصطلح الذي يطلق على الفرع العام للهندسة المعني بالمواد هو علوم وهندسة المواد. هذه التسمية دقيقة من حيث إن هذا المجال هو مزيج حقيقي من الدراسات العلمية الأساسية والهندسة العملية. لقد نمت لتشمل مساهمات من العديد من المجالات التقليدية، بما في ذلك علم المعادن وهندسة السيراميك وكيمياء البوليمر وفيزياء المواد المكثفة والكيمياء الفيزيائية. سيكون هذا المقال كمقدمة بسيطة عن علم المواد، ويُمكن القارئ من تكوين صورة شاملة عن ماذا يتناول هذا القسم من العلوم وإلى ماذا يرمي هذا المقال. هذا المقال سكون مقدمة لسلسلة من المقالات لطرق وتقنيات الانماء البلوري وسنتناول فيه تصنيف المواد الصلبة، معنى خلية الوحدة، النظم السبعة الأساسية للأنماء البلوري، النظام البلوري، العيوب البلورية، والبنية غير البلورية وأنواع التبلور.

النظام البلوري للمواد الصلبة
النظام البلوري

تصنيف المواد الصلبة (Classification of solid materials)

تم تصنيف المواد الصلبة بشكل ملائم في ثلاث تصنيفات أساسية: المعادن، والسيراميك، والبوليمرات. يعتمد هذا المخطط بشكل أساسي على التركيب الكيميائي والتركيب الذري، وتقع معظم المواد في مجموعة مميزة أو أخرى، على الرغم من وجود بعض المواد الوسطية. بالإضافة إلى ذلك، هناك المركبات، مجموعات من اثنين أو أكثر من فئات المواد الأساسية الثلاثة المذكورة أعلاه. يتم تقديم شرح موجز لأنواع المواد والخصائص التمثيلية هذه.

01. البنية البلورية للمعادن (Crystal Structures of Metals)

جميع العناصر المعدنية (باستثناء السيزيوم Cs والغاليوم Ga والزئبق Hg) عبارة عن مواد صلبة بلورية في درجة حرارة الغرفة. مثل المواد الصلبة الأيونية، فإن المعادن والسبائك تميل بشدة إلى التبلور، سواء كانت مصنوعة من خلال المعالجة الحرارية أو عن طريق تقنيات أخرى مثل تقليل المحلول أو الطلاء الكهربائي. تتبلور المعادن بسهولة ويصعب تكوين معدن زجاجي (البنية العشوائية) حتى مع التبريد السريع للغاية. المعادن المنصهرة لها لزوجة منخفضة، ويمكن للذرات المتطابقة (الكروية بشكل أساسي) أن تتجمع في بلورة بسهولة شديدة. ومع ذلك، يمكن تصنيع المعادن الزجاجية عن طريق التبريد السريع للسبائك، خاصة إذا كانت الذرات المكونة لها أحجام مختلفة. لا يمكن أن تتراكم الذرات المختلفة في خلية وحدة بسيطة، مما يجعل التبلور في بعض الأحيان بطيئًا بدرجة كافية لتشكيل زجاج.

02. البنية البلورية للسيراميك (crystal structure of ceramics)

السيراميك عبارة عن مركبات بين العناصر المعدنية وغير المعدنية؛ فهي في الغالب أكاسيد ونتريد وكربيدات المعادن اشباه الموصلات. على سبيل المثال، تشتمل بعض مواد السيراميك الشائعة على أكسيد الألومنيوم (او الالومينا، Al2O3)، وثاني أكسيد السيليكون (or silica، SiO2)، وكربيد السيليكون (SiC)، ونتريد السيليكون (Si3N4)، بالإضافة إلى ما يشير إليه البعض على أنه الخزف التقليدي (porcelain)، والتي تتكون من معادن طينية بالإضافة إلى الأسمنت والزجاج. فيما يتعلق بالسلوك الميكانيكي، فإن المواد الخزفية صلبة وقوية نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يكون السيراميك شديد الصلابة. من ناحية أخرى، فهي هشة للغاية (تفتقر إلى الليونة) وهي حساسة للغاية.

نظرًا لأن السيراميك يتكون من عنصرين على الأقل وغالبًا أكثر، فإن هياكلها البلورية تكون عمومًا أكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في المعادن. وتتراوح الرابطة الذرية في هذه المواد من الأيونية البحتة إلى التساهمية الكاملة.

03. البنية البلورية لاللدائن (crystal structure of polymers)

لا تعتمد الخصائص الفيزيائية للبوليمر على وزنه الجزيئي وشكله فحسب، بل تعتمد أيضًا على الاختلافات في بنية السلاسل الجزيئية. حيث تسمح تقنيات تخليق البوليمر بتحكم كبير في الاحتمالات الهيكلية المختلفة. يناقش هذا القسم العديد من الهياكل الجزيئية بما في ذلك الخطية، والمتفرعة، والمتشابكة، والشبكة، بالإضافة إلى العديد من التكوينات الأيزومرية.

1.3. البوليمرات الخطية

البوليمرات الخطية هي تلك التي يتم فيها ربط الوحدات المتكررة معًا نهاية البوليمر الخطي في سلاسل مفردة. هذه السلاسل الطويلة مرنة ويمكن اعتبارها كتلة من السباغيتي، حيث تمثل كل دائرة وحدة متكررة. بالنسبة للبوليمرات الخطية، قد يكون هناك روابط فان دير فالس واسعة النطاق وهيدروجين بين السلاسل. بعض البوليمرات الشائعة التي تتشكل مع الهياكل الخطية هي البولي إيثيلين، بولي (كلوريد الفينيل)، البوليسترين، بولي (ميثيل ميثاكريلات)، النايلون، ومركبات الكربون الفلورية.

2.3. البوليمرات المتفرعة

يمكن تصنيع البوليمرات التي يتم فيها توصيل سلاسل الفروع الجانبية بالسلسلة الرئيسية، هذه تسمى بشكل مناسب البوليمرات المتفرعة. الفروع، التي تعتبر جزءًا من جزيء السلسلة الرئيسية، قد تنتج البوليمرات المتفرعة التفاعلات الجانبية التي تحدث أثناء تخليق البوليمر. يتم تقليل كفاءة تعبئة السلسلة مع تكوين الفروع الجانبية، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة البوليمر. يمكن أيضًا أن تتفرع تلك البوليمرات التي تشكل هياكل خطية. على سبيل المثال، البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) هو في الأساس بوليمر خطي، بينما يحتوي البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) على فروع قصيرة السلسلة.

3.3. البوليمرات المتشابكة

البوليمرات المتشابكة، السلاسل الخطية المجاورة مرتبطة ببعضها البعض في مواضع بوليمر متشابكة مختلفة بواسطة روابط تساهمية. يتم تحقيق عملية التشابك إما أثناء التوليف أو عن طريق تفاعل كيميائي غير قابل للعكس. في كثير من الأحيان، يتم تحقيق هذا التشابك بواسطة ذرات أو جزيئات مضافة مرتبطة تساهميًا بالسلاسل. العديد من المواد المطاطية المرنة متشابكة؛ في المطاط، تسمى هذه العملية الفلكنة.

4.3. البوليمرات الشبكية

المونومرات متعددة الوظائف التي تشكل ثلاثة أو أكثر من الروابط التساهمية النشطة تصنع شبكات ثلاثية الأبعاد وتسمى بوليمرات الشبكة في الواقع، يمكن أيضًا تصنيف بوليمر الشبكة وهو بوليمر شديد الارتباط على أنه بوليمر شبكي. هذه المواد لها خصائص ميكانيكية وحرارية مميزة؛ تنتمي الإيبوكسيات والبولي يوريثان والفينول فورمالديهايد إلى هذه المجموعة.

أنواع البوليمرات
الشكل (1)
(a) بوليمر خطي (b) متفرع (c) متشابك (d) شبكي

المركبات (compounds)

يتكون المركب من مادتين (أو أكثر) منفردين، والتي تأتي من الفئات التي تمت مناقشتها أعلاه أي المعادن، والسيراميك، والبوليمرات. الهدف من تصميم المركب هو تحقيق مجموعة من الخصائص التي لا يتم عرضها بواسطة أي مادة مفردة، وكذلك لدمج أفضل خصائص كل مادة من المواد المكونة. يوجد عدد كبير من الأنواع المركبة التي يتم تمثيلها بمجموعات مختلفة من المعادن والسيراميك والبوليمرات. علاوة على ذلك، تعتبر بعض المواد الطبيعية أيضًا من المواد المركبة على سبيل المثال، الخشب والعظام. ومع ذلك، فإن معظم تلك المواد التي سنتناولها هي مركبات تركيبية (أو من صنع الإنسان). اصطناعية. من أكثر المركبات شيوعًا والأكثر شيوعًا هي الألياف الزجاجية، حيث يتم دمج ألياف زجاجية صغيرة داخل مادة بوليمرية (عادةً ما تكون إيبوكسي أو بوليستر).

خلية الوحدة (unit cell)

يشير الترتيب الذري في المواد الصلبة البلورية إلى أن مجموعات صغيرة من الذرات تشكل نمطًا متكررًا. وبالتالي، عند وصف الهياكل البلورية، غالبًا ما يكون من الملائم تقسيم البنية إلى كيانات متكررة صغيرة تسمى خلايا الوحدة. خلايا الوحدة لمعظم الهياكل البلورية للخلية تكون متوازية السطوح أو مناشير لها ثلاث مجموعات من الوجوه المتوازية. وبالتالي، فإن خلية الوحدة هي الوحدة الهيكلية الأساسية أو لبنة البناء للبنية البلورية وتحدد الهيكل البلوري بحكم هندستها ومواقع الذرة داخلها.

خلية الوحدة
خلية الوحدة لأبسط نظام بلوري للمعادن من نوع مكعب متمركز الوجه (face centered cubic or FCC)

النظام البلوري (Crystal Structures system)

يمكن تصنيف المواد الصلبة وفقًا لانتظام ترتيب الذرات أو الأيونات فيما يتعلق ببعضها البعض ويسمى هذا التنظيم او الترتيب للعناصر الأولية للمادة (ذرات او جزيئات) بالتبلور. المادة الكريستالية: هي تلك التي تقع فيها الذرات البلورية في مجموعة متكررة أو دورية على مسافات ذرية كبيرة؛ أي، يوجد نظام بعيد المدى، بحيث عند التصلب، تضع الذرات نفسها في نمط ثلاثي الأبعاد متكرر، حيث ترتبط كل ذرة بأقرب ذرة لها. تشكل جميع المعادن والعديد من مواد السيراميك وبعض البوليمرات هياكل بلورية في ظل ظروف التصلب العادية.

سمح القياس الدقيق للعينات المعدنية بتصنيف البلورات من حيث ست مجموعات بلورية، تسمى نظام بلوري ثلاثي الميل (anorthic or triclinic)، ونظام بلوري احادي الميل (monoclinic)، ونظام بلوري معيني قائم (orthorhombic)، ونظام بلوري رباعي (tetragonal)، ونظام بلوري سداسي (hexagonal)، ونظام بلوري مكعب (cubic or isometric). تم توسيع هذا التصنيف من قبل بعض علماء البلورات إلى سبع أنظمة. الأنظمة البلورية عبارة عن مجموعات من المحاور المرجعية، والتي لها معلمتين أساسيتين الاتجاه والمقدار، بالتالي فهي متجهات (vectors).

النظم البلورية واشكالها الهندسية
جدول النظم البلورية وأشكالها الهندسية.

العيوب البلورية (crystalline defects)

لا يوجد شيء في عالمنا مثالي تمامًا. لا توجد مادة بلورية لا تحتوي على الأقل على بعض العيوب الهيكلية. لا يمكن تحضير أي مادة بدون درجة معينة من الشوائب الكيميائية. تعمل ذرات أو أيونات الشوائب في المحلول الصلب الناتج على تغيير الانتظام البنيوي للمادة النقية بشكل مثالي. بغض النظر عن الشوائب، هناك العديد من العيوب الهيكلية التي تمثل فقدان الكمال البلوري. أبسط نوع من الخلل هو عيب النقطة (point defect)، مثل ذرة مفقودة (شاغر). هذا النوع من الخلل هو النتيجة الحتمية للاهتزاز الحراري الطبيعي للذرات في أي مادة صلبة عند درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق. تتبع العيوب الخطية، أو الاضطرابات، مسارًا ممتدًا ومعقدًا في بعض الأحيان عبر البنية البلورية. تمثل العيوب المستوية الحد الفاصل بين منطقة بلورية كاملة تقريبًا ومحيطها. بعض المواد تفتقر تمامًا إلى الترتيب البلوري. زجاج النوافذ هو مادة صلبة غير بلورية (Noncrystalline).

01. عيب النقطة (point defect)

إن عيوب النقطة هي عيوب هيكلية ناتجة عن التحريض الحراري. وتسمى العيوب المرتبطة بشبيكة النقطة البلورية بعيوب النقطة. النوعين الشائعين من عيوب النقاط المرتبطة بالمواد الصلبة الأولية: الشغور هو ببساطة موقع ذرة غير مشغول في التركيب البلوري، والخلالية أو التداخلية، هي ذرة تشغل موقعًا خلاليًا لا تشغله عادة ذرة في التركيب البلوري المثالي أو ذرة إضافية يتم إدخالها في التركيب البلوري المثالي بحيث تحتل ذرتان موقعين قريبين من موقع ذري مشغول بشكل فردي في بنية مثالية. يمكن أن تحدث هذه الشواغر أيضًا بشكل مستقل عن العوامل الكيميائية (على سبيل المثال، عن طريق الاهتزاز الحراري للذرات في مادة صلبة فوق درجة حرارة الصفر المطلق).

عيب النقطة من نوع عيب الشغور والخلالية
عيب الشغور والخلالية

النوع الآخر من عيب النقطة هو عيب شوتكي (Schottky) وهو زوج من الفراغات الأيونية ذات الشحنة المعاكسة. هذا الاقتران مطلوب من أجل الحفاظ على حيادية الشحنة المحلية في التركيب البلوري للمركب. عيب فرنكل (Frenkel) هو تركيبة بينية وخالية.

عيب شوتكي وفرنكل
عيب شوتكي وفرنكل

02. العيوب الخطية (Linear defects)

ترتبط العيوب الخطية أحادية البعد بشكل أساسي بالتشوه الميكانيكي. تُعرف العيوب الخطية أيضًا باسم الانخلاعات. يتم تحديد الخلل الخطي بشكل شائع بالرمز “T المقلوب”، والذي يمثل حافة نصف مستوى إضافي من الذرات. والعيوب الخطية ثلاث أنواع: الانخلاع الحافي (Edge dislocation)، الانخلاع اللولبي (Screw dislocation)، الانخلاع المختلط (Mixed dislocation) بين الحافي واللولبي. الخلع الحافي يحدث عندما يكون أحد المستويات البورية غير مستمر حتى نهاية المستوي أي تكون هناك حدود حافة في جزء من المستوي. اما الخلع الحلزوني ينشئ من دوران أحد المستويات البلورية. اما الخلع المختلط هو مزيج بي الاثنين أي تكون البنية البلورية تعاني من عدم اسمرار أحد المستويات بالإضافة إلى دوران مستوى آخر. يتم تحديد مستوى الانحراف بما يسمى بمتجه برجر (Burgers) ويرمز له بالرمز b هذه المعلمة هي ببساطة متجه الإزاحة الضروري لإغلاق حلقة متدرجة حول العيب.

الانخلاع اللولبي والحافي
العيوب الخطية: (a) انخلاع الحافة، (b) انخلاع لولبي

03. العيوب المستوية (planer defects)

هناك أشكال مختلفة من العيوب المستوية. سنقوم بإدراجها بإيجاز، بدءًا من الأبسط هندسيًا. النوع الاول التوأمة وهو حدًا مزدوجًا يفصل بين منطقتين متبلورتين اللتان هما، من الناحية الهيكلية، صور معكوسة لبعضهما البعض. يمكن إن ينتج هذا الانقطاع الشديد التناسق في الهيكل عن طريق التشوه وعن طريق التلدين (المعالجة الحرارية).

عيب التوأمة
عيب التوأمة

والنوع الاخر هو حدود الحبيبات لا تظهر جميع المواد البلورية حدودًا مزدوجة، ولكن يجب أن يكون لها سطح. وهذا السطح ما هو إلا نهاية مفاجئة لترتيب التراص الذري المعتاد. يجب أن نلاحظ، إن هذا الرسم التوضيحي يشير إلى أن ذرات السطح تختلف إلى حد ما عن الذرات الداخلية (أو الكتلة). وهذا نتيجة أعداد التنسيق المختلفة لذرات السطح مما يؤدي إلى قوى ترابط مختلفة وبعض عدم التناسق.

حدود الحبيبات
عيب حدود الحبيبات


البنية غير البلورية (Non-crystalline structure)

تفتقر بعض المواد الهندسية إلى البنية البلورية المتكررة. هذه المواد الصلبة غير البلورية، أو غير المتبلورة، غير كاملة في ثلاثة أبعاد. يوضح المخطط ثنائي الأبعاد للشكل في الاسفل (أ) البنية المتكررة لأكسيد بلوري افتراضي. (ب) نسخة غير بلورية من هذه المادة. يشار إلى الهيكل الأخير باسم نموذج زكرياسن (Zachariasen)، وبطريقة بسيطة، فإنه يوضح السمات المهمة لهياكل زجاج الأكسيد. الزجاج يشير عمومًا إلى مادة غير بلورية لها تركيبة كيميائية مماثلة لتلك الموجودة في السيراميك. يتم الاحتفاظ بلوك البناء البلوري (“المثلث” AO3-3) في الزجاج؛ أي، تحتفظ جزيئات المادة بما يسمى بالأمر قصير المدى (SRO or sort range order) وهو سمة لعدم التبلور. اما ما يسمى بالأمر طويل المدى (LRO or long range order) – أي التبلور – فيضيع في الزجاج.

البنية البلورية
البنية البلورية

نموذج Zachariasen وهو التعريف المرئي لنظرية الشبكة العشوائية للهيكل الزجاجي، وهو التناظرية للشبكة النقطية المرتبطة بالبنية البلورية. كان أول مثال لنا على مادة صلبة غير بلورية هو زجاج الأكسيد التقليدي لأن العديد من الأكاسيد (خاصة السيليكات) يسهل تكوينها في حالة غير بلورية، وهي نتيجة مباشرة لتعقيد الهياكل البلورية للأكسيد. التبريد الفائق هو السبب الرأسي لعدم تبلو اكاسيد السيليكات السائلة أو السماح لبخار السيليكات بالتكثيف على طبقة سفلية باردة “يتجمد” بشكل فعال في التكديس العشوائي لبنات بناء السيليكات (SiO4-4 رباعي السطوح). نظرًا لأن العديد من أكواب السيليكات تُصنع بواسطة سوائل التبريد السريع، فإن مصطلح السائل فائق التبريد غالبًا ما يستخدم بشكل مترادف مع الزجاج. في الواقع، هناك فرق فالسائل فائق التبريد هو المادة التي يتم تبريدها أسفل نقطة الانصهار مباشرة، حيث لا تزال تتصرف مثل السائل.

أنواع التبلور

01. بلورة أحادية التبلور

عندما يكون الترتيب الدوري والمتكرر للذرات مثاليًا أو يمتد في جميع أنحاء العينة بأكملها دون انقطاع، تكون النتيجة بلورة احادية، وتتشابك جميع خلايا الوحدة بنفس الطريقة ولها اتجاه بلوري واحد. توجد بلورات مفردة في الطبيعة، ولكن يمكن أيضًا إنتاجها بشكل مصطنع. عادة ما يكون من الصعب نموها، لأنه يجب التحكم في البيئة بعناية. إذا سمح لأطراف البلورة الاحادية بالنمو دون أي قيود خارجية، فستتخذ البلورة شكلاً هندسيًا منتظمًا له وجوه مسطحة، كما هو الحال مع بعض بلورات الأحجار الكريمة. خلال السنوات القليلة الماضية، أصبحت البلورات المفردة مهمة للغاية في العديد من تقنياتنا الحديثة، ولا سيما الدوائر الإلكترونية الدقيقة، التي تستخدم بلورات أحادية من السيليكون وأشباه الموصلات الأخرى، إلى جانب نظم ليزر الحالة الصلبة والمرشحات البصرية.

02. بلورة متعددة التبلور

المواد متعددة البلورات عبارة عن مواد صلبة تتكون من العديد من البلورات الصغيرة (“الحبوب”). يتم فصل الحبيبات بواسطة حدود حبيبية وعادة ما يكون لها اتجاهات بلورية عشوائية. قد يختلف حجم الحبوب من نانومتر إلى مليمتر. أثناء تصلب المواد متعددة التبلور، تتشكل نوى صغيرة مبدئيًا في مواضع مختلفة للسائل بتوجهات بلورية عشوائية. تنمو هذه النوى إلى بلورات أكبر عن طريق امتصاص الذرات في السائل المحيط. في النهاية، تصطدم البلورات ببعضها البعض لتشكل بنية حبيبية أو متعددة البلورات. في مثل هذا الهيكل، تسمى المنطقة التي نمت من النواة مع نفس الاتجاه البلوري باسم الحبوب. يتم فصل الحبوب عن طريق حدود الحبيبات، وهي الواجهات التي يتغير عبرها اتجاه البلورة فجأة. تتراكم الذرات بشكل غير محكم في منطقة حدود الحبيبات، مما يجعلها غير مستقرة ميكانيكيًا وكيميائيًا. وبالتالي تحدث التشققات والتآكل بشكل متكرر عند حدود الحبوب.

مصدر1 ، مصدر2

Similar Posts

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *