شبکه بلوری چیست ؟ از آن چه می دانید ؟

علوم پایه

خواندن این مطلب 9 دقیقه زمان میبرد

در علم شیمی، شبکه بلوری (Crystal structure) به یک طرح تکراری سه بعدی گفته می شود که در آن، ذرات تشکیل دهنده یک بلور (اتم، یون، فلز و یا مولکول) به صورت منظم در کنار یکدیگر مرتب شده اند. توجه داشته باشید که خواص یک بلور به شبکه و ساختار آن بستگی دارد. از طرفی، به کوچکترین بخش یک شبکه بلور که تمامی خواص آن بلور را دارد، سلول واحد می گویند. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی شبکه بلور و انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.

فهرست مطالب

بلور چیست

به مواد معدنی جامدی که اجزای سازنده آنها، در سه جهت فضایی و به صورت منظم در کنار هم آرایش یافته‌ اند و یا به عبارت دیگر دارای نظم بلور شناسی اند، بلور یا کریستال گفته می شود. در حقیقت در این گونه از مواد، ذرات در یک آرایش منظم و تکراری اطراف فاصله اتمی بزرگ قرار می گیرند. در واقع با تکرار این آرایش منظم در سه جهت فضایی، بلور بزرگتر می شود. توجه داشته باشید که نظم بیرونی یک بلور در اثر نظم درونی آن خواهد بود، پس سطوح خارجی بلور ها صاف و هموار است. همانطور که بیان شد، کوچک ترین قسمت شبکه بلوری را سلول واحد می نامند که در تمامی جهات تکرار می شود. اگر سلول های واحد در سه بعد کنار یکدیگر قرار بگیرند، یک بلور تولید می ‌شود.

بلورها همواره شکل های منظم و قابل شناسایی دارند، زیرا ذرات آنها همیشه به شکل الگوهای تکراری و مشخصی که شبکه می نامیم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. لازم به ذکر است که جامدات بلوری با توجه به ذرات سازنده آنها که می تواند یون، اتم، فلز یا مولکول باشد، به ترتیب به بلور های یونی، بلور های شبکه ‌ای، بلور های فلزی و بلور های مولکولی تقسیم می‌ شوند. از طرفی دیگر، بلور ها می ‌توانند خواص همسانگرد یا ناهمسانگرد را نشان دهند. بلور های همسانگرد به بلورهایی گفته می شود که ضریب شکست آنها در هر سه راستای بلوری یکسان باشد. در حالیکه، بلورهایی که ضریب شکست متفاوتی در یک، دو و یا سه راستای خود داشته باشند، بلورهای ناهمسانگرد می باشند.

شبکه بلوری

ذرات در ساختار های بلوری به شکل های مختلفی در کنار یکدیگر قرار می ‌گیرند. توجه داشته باشید که قرار گیری ذرات تشکیل دهنده یک بلور، در این ساختار های بلوری نقش مهمی در تعیین خواص و ویژگی‌ های مواد دارد. جهت تقسیم ‌بندی سیستم‌ های بلوری، آنها را می ‌توان در دو بعد و یا سه‌ بعد دسته ‌بندی کرد. در حالت دو بعدی، چهار سیستم بلوری معرفی شده است. در حالیکه در حالت سه ‌بعدی ۱۴ شبکه بلوری براوه داریم. شبکه براوه (Bravais lattice) برای مدل‌ سازی شبکه‌ های بلوری کاربرد دارد. در واقع براوه یک آرایه نا محدود از نقاط گسسته در فضا می باشد که جهت و چینش آن مستقل از نقطه شروع یا مبدا خواهد بود.

لازم به ذکر است که اساس این تقسیم بندی ها، وجود تقارن و نوع آن تقارن‌ در این ساختار ها می باشد. به عنوان مثال، اندازه اضلاع و زاویه‌ بین آنها در سلول ‌های واحد‌ این ۱۴ شبکه، با یکدیگر تفاوت دارند. در این مقاله، سیستم ‌های بلوری دو بعدی و سه ‌بعدی، معرفی می شوند و همچنین مشخصه‌ های مهم شبکه ‌های بلوری با اهمیت تر نیز بررسی شده است.

شبکه ‌های بلوری در دو بعد

متوازی ‌الاضلاع در واقع ساده ‌ترین شکلی است که با آن می ‌توان یک صفحه دو بعدی را نشان داد. جهت تعیین مشخصات یک متوازی ‌الاضلاع کافیست که دو بردار مربوط به ضلع آن و همچنین زاویه بین آنها را مشخص کرد. توجه داشته باشید که این دو بردار و زاویه بین آنها می‌ توانند مقادیر متفاوتی داشته باشند. بنابراین حالت ‌های مختلف این سه متغیر (دو بردار و زاویه بین آنها) منجر به چهار سیستم دو بعدی مورب، مستطیلی، شش ضلعی و مربعی می‌ شود،این چهار سیستم بلوری دو بعدی در شکل زیر نشان داده شده است.

یکی از نانو ساختار های معروفی که اتفاقا ساختار دو بعدی دارد گرافن (ساختار لانه زنبوری) می باشد. همان ‌گونه که در شکل‌ زیر مشاهده می کنید، ساختار بلوری گرافن بر طبق سیستم شش ‌ضلعی است.

شبکه ‌های بلوری در سه بعد

در سیستم های سه بعدی، ۱۴ نوع شبکه براوه معرفی شده است. این ۱۴ مدل در ۷ دستگاه بلوری دسته‌ بندی می شوند. این چهارده شبکه براوه شامل هفت شبکه اصلی و هفت شبکه فرعی می باشند. هفت شبکه اصلی عبارتند از : شبکه مکعبی ساده (Cubic)، شبکه تتراهدرال یا چهار ضلعی (Tetragonal)، شبکه هگزاگونال یا شش ‌ضلعی (Hexagonal)، شبکه اورتورومبیک (Orthorhombic)، شبکه رمبوهدرال، تریگونال یا مثلثی (Rhombohedral)، شبکه مونو کلینیک (Monoclinic) و شبکه تری‌ کلینیک (Triclinic).

شبکه های فرعی با توجه به قاعده پر بودن (مرکز پر بودن و یا وجوه پر بودن) از هفت شبکه اصلی منشا می گیرند. برای مشخص کردن هر کدام از این ۱۴ شبکه براوه، باید سه بردار تشکیل ‌دهنده سلول واحد و زوایای بین آنها (مجموعا سه زاویه) را نیز بیان کرد. لازم به ذکر است که چهارده شبکه براوه بر اساس مدل ‌سازی ‌های ریاضی و بررسی ‌های آزمایشگاهی مشخص شده ‌اند. در حقیقت هیچ یک از آنها با هم یکسان نیستند. در شکل زیر چهارده شبکه براوه نشان داده شده است.

از بین این ۱۴ شبکه‌ براوه، شبکه‌ های مکعبی (مکعبی مرکز حجمی و مکعبی مرکز سطحی) و شش‌ ضلعی (هگزاگونال) اهمیت بیشتری دارند. زیرا بیشتر مواد متداول بلوری در این شبکه ‌ها متبلور می ‌شوند. بنابراین در ادامه به بررسی بیشتر این شبکه ‌ها خواهیم پرداخت.

برای بررسی انواع شبکه ‌های بلوری مفاهیمی مورد نیاز است که در ادامه به آنها می پردازیم.

عدد همسایگی (coordination number): این عدد یکی از پارامتر های کلیدی در توصیف شبکه بلور می باشد. در حقیقت بیانگر تعداد نزدیکترین همسایه (اتم ها) هر یک از اتم‌ ها در شبکه است. توجه داشته باشید که تشخیص عدد همسایگی در تعدادی از ساختار های بلوری به دلیل پیچیدگی‌ های ساختار، دشوار خواهد بود.
فاکتور تراکم اتمی یا فاکتور فشردگی اتمی (APF) : این فاکتور برای هر شبکه، به صورت نسبت حجم اتم های داخل یک سلول واحد به حجم کل سلول واحد محاسبه می گردد. در واقع نشان‌ دهنده اینست که چقدر از حجم یک سلول واحد به وسیله اتم ‌ها اشغال شده است. حال هرچه فاکتور فشردگی اتمی بیشتر باشد، نمایش دهنده فشردگی بیشتر اتم‌ ها در آن سلول واحد خواهد بود.
پارامتر شبکه (Lattice Parameter) : شاخص هایی از سلول واحد می باشند که به کمک آنها می توان اندازه و یا شکل سلول واحد را تعیین کرد. این پارامتر ها در حقیقت عبارتند از طول اضلاع سلول واحد (a, b, c) و همچنین زاویه بین اضلاع (α, β, γ).
فاصله بین صفحه ای (d): فاصله بین صفحه ای به فاصله بین صفحات موازی متوالی گفته می شود. این فاصله برای هر نوع ساختار کریستالی بر حسب پارامترهای (h ,k, l) که به اندیس میلر معروف می باشند تعریف می شود.

شبکه ‌ بلوری مکعبی (Cubic)

شبکه ‌های مکعبی به سه گروه مکعبی ساده (SC)، مکعبی مرکز پر (BCC) و مکعبی وجوه پر (FCC) تقسیم می‌ شوند.

شبکه بلوری مکعبی ساده (simple cubic)

در این ساختار بلوری، پارامتر های شبکه a، b و c با یکدیگر برابر می باشند و همچنین تمام زوایا برابر با ۹۰ درجه خواهد بود. سلول واحد این شبکه بلوری از هشت اتم موجود در رئوس مکعب تشکیل شده است. اما در واقع تنها یک هشتم آن اتم به شکل خالص متعلق به سلول واحد می باشد. به عبارت دیگر، یک اتم به شکل همزمان در هشت سلول واحد مکعبی وجود دارد، از این رو، تنها یک هشتم آن متعلق به یک سلول واحد خواهد بود. در نتیجه تعداد اتم‌ های خالص در سلول واحد شبکه مکعبی ساده برابر است با یک می باشد.

سلول واحد ۱ اتم دارد.
عدد همسایگی ۶ می باشد.
فاکتور فشردگی اتمی آن برابر با ۰/۵۲ یا ۵۲ % است.
پارامتر شبکه برابر با a = 2R می باشد.
تنها شبه فلز پولونیوم این نوع ساختار بلوری را دارد.

شبکه بلوری مکعبی مرکز پر یا مرکز حجمی (BCC)

در سلول واحد شبکه مکعبی مرکز پر، یک اتم به شکل کامل در وسط مکعب قرار گرفته است. علاوه بر آن، هشت اتم نیز مانند شبکه مکعبی ساده در رئوس مکعب، که هر کدام فقط یک هشتم‌ متعلق به آن سلول واحد می باشد در آن وجود دارند.

سلول واحد ۲ اتم دارد.
عدد همسایگی ۸ می باشد.
فاکتور فشردگی اتمی آن برابر با ۰/۶۸ یا ۶۸ % است.
پارامتر شبکه برابر با $a = \frac{4r}{\sqrt{3}}$ می باشد.
فلزاتی مانند وانادیوم، کروم، تیتانیوم، مولیبدون و تنگستن این نوع ساختار بلوری را دارند.

شبکه بلوری مکعبی وجوه پر یا ساختار مکعبی مرکز سطحی (FCC)

در سلول واحد شبکه مکعبی وجوه پر، ۶ اتم در شش وجه مکعب قرار گرفته اند. علاوه بر آن، هشت اتم نیز مانند شبکه مکعبی ساده در رئوس مکعب قرار دارند، که هر کدام فقط یک هشتم‌ متعلق به آن سلول واحد می باشند.

سلول واحد ۴ اتم دارد.
عدد همسایگی ۱۲ می باشد.
فاکتور فشردگی اتمی آن برابر با ۷۲/۰ یا ۷۲ % است.
پارامتر شبکه برابر با $a = \frac{4R}{\sqrt{2}}$ می باشد.
فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، طلا، فسفر، سرب، نیکل، پلاتین، نقره و کبالت این نوع ساختار بلوری را دارند.

شبکه بلوری شش ضلعی فشرده (HCP)

شبکه شش ‌ضلعی فشرده و طریقه قرارگیری اتم‌ ها در این شبکه در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید، ۱۲ اتم بر روی رئوس قرار گرفته اند که یک ششم‌ آنها متعلق به سلول واحد می باشد. همچنین ۳ اتم به ‌طور کامل درون سلول واحد جای دارند و دو اتم نیز بر روی قاعده های بالا و پایین قرار گرفته اند که نصف‌ آن دو متعلق به سلول واحد می باشد.

سلول واحد ۶ اتم دارد.
عدد همسایگی ۱۲ می باشد.
فاکتور فشردگی اتمی آن برابر با ۰/۷۴ یا ۷۴ % است.
پارامتر شبکه در جهات مختلف در این ساختار متفاوت می باشد.
فلزاتی مانند روی، کادمیوم، بریلیوم، آلفا تیتانیوم، کبالت و منیزیم این نوع ساختار بلوری را دارند.

شبکه بلوری چهارگوشه یا تتراگونال (Tetragonal crystal system)

در این ساختار، پارامتر های شبکه یعنی a و b با یکدیگر برابر می باشند، در حالیکه پارامتر c با آنها متفاوت است. از طرفی دیگر تمام زوایای پیوندی ۹۰ درجه است. این ساختار در دو نوع ساده (Simple) و مرکز پر (Body centered) وجود دارد. ترکیباتی نظیر ولفنیت، کاسیتریت و کالکوپیریت دارای این ساختار می باشند.

شبکه بلوری ارتورومبیک

در این ساختار، هر سه پارامتر های شبکه یعنی a، b و c با یکدیگر متفاوت می باشند، اما تمام زوایای پیوندی برابر با ۹۰ درجه هستند. این ساختار در انواع ساده (Simple)، مرکز پر (Body centered)، وجوه مرکز پر (Face centered) و وجوه قاعده مرکز پر (Base centered) وجود دارد. کانی هایی نظیر توپاز، انستاتیت و گوگرد دارای این ساختار می باشند.

شبکه بلوری رمبوهدرال

در این ساختار، تمام پارامتر های شبکه (اضلاع شبکه و زوایای پیوندی) با یکدیگر برابر می باشند. توجه داشته باشید که زوایا ۹۰ درجه نیستند و کمتر از ۱۲۰ درجه می باشند. این ساختار تنها در نوع ساده (Simple) وجود دارد. کانی هایی نظیر دولومیت و هماتیت دارای این ساختار می باشند.

شبکه بلوری منوکلینیک

در این ساختار، پارامتر های شبکه یعنی a، b و c با یکدیگر متفاوت می باشند. زوایای α و γ با یکدیگر برابر و مساوی با ۹۰ درجه می باشند، اما زاویه β مقداری با آنها متفاوت است. این ساختار در دو نوع ساده (simple) و پایه مرکز پر (Base centered) وجود دارد. کانی هایی نظیر ارتوکلاز و ژیپس دارای این ساختار می باشند.

شبکه بلوری تریکلینیک

در این ساختار، هیچ کدام از پارامترهای شبکه (اضلاع شبکه و زوایای پیوندی) با یکدیگر برابر نمی باشند. این ساختار تنها در نوع ساده (simple) وجود دارد. کانی هایی نظیر میکروکلین و کائولینیت دارای این ساختار می باشند.

انواع شبکه های کریستالی

ساختار کریستالی به آرایش اتم ها یا مولکول ها در یک ماده کریستالی اشاره دارد. هنگامی که اتم ها یا مولکول ها در یک الگوی تکرار شونده خاص مرتب می شوند، یک کریستال را تشکیل می دهند. این آرایش ساختار بلوری نامیده می شود. این آرایش به کریستال ها شکل و ویژگی های منحصر به فردی می دهد. بر اساس آرایش های مختلف، هفت نوع کریستال تشکیل دهنده سیستم کریستالی وجود دارد. این سیستم های کریستالی بیشتر به چهارده آرایش مختلف طبقه بندی می شوند.

ساختارهای کریستالی به آرایش خاص اتم ها، یون ها یا مولکول ها در یک شبکه کریستالی اشاره دارد. در یک کریستال، این ذرات در یک الگوی منظم و تکرار شونده مرتب شده اند و یک شبکه سه بعدی را تشکیل می دهند. این آرایش به کریستال ها شکل و ویژگی های مشخصه آنها را می دهد. انواع مختلفی از ساختارهای کریستالی مانند مکعب، چهار ضلعی، متعامد، تک کلینیک، سه‌ کلینیک، شش ضلعی و لوزی وجود دارد که هر کدام دارای تقارن‌ ها و ویژگی‌ های منحصر به‌ فردی هستند.

ساختارهای کریستالی مانند نقشه‌ هایی هستند که تعیین می ‌کنند چگونه اتم ‌ها، یون‌ ها یا مولکول ‌ها در یک ماده جامد کنار هم قرار می‌ گیرند، دقیقاً شبیه نحوه قرار گرفتن آجرها در کنار هم برای ساختن یک دیوار. این چیدمان ها در همه جهات تکرار می شوند و اشکال زیبایی را که در کریستال ها می بینیم تشکیل می دهند. این واحدهای تکرار شونده سلول واحد نامیده می شوند. پارامترهای مختلف سلول واحد انواع مختلفی از ساختارهای کریستالی به نام سیستم کریستال را تولید می کنند. هفت کریستال ممکن با پیکربندی متفاوت پارامترهای سلول واحد وجود دارد. هفت سیستم کریستالی عبارتند از: