کریستال چیست

تعریف دقیق تر، تمایز

کریستال یک جسم همگن است زیرا از نظر مادی و فیزیکی یکنواخت است. اما بسیاری از خواص فیزیکی به جهت در فضا بستگی دارد. اچ. یک کریستال ناهمسانگرد است . ^[1]

آنها تعریف می شدند قبل از سال 1992، بلورها با تناوب : به این معنا، یک کریستال از واحدهای ساختاری تناوبی سه بعدی تشکیل شده است که ثابت می مانند. ^[2] این واحد ساختاری سلول واحد یا سلول ابتدایی نامیده می شود .

یک کریستال از سال 1992، طبق اتحادیه بین المللی کریستالوگرافی IUCr ^[3]، با ترتیبات پراش گسسته آن (هنگامی که با اشعه ایکس روشن می شود ) تعریف شده است. بنابراین دارای یک سفارش دوربرد است ، اما لزوما دوره ای نیست. این تعریف با کشف شبه بلورها در سال 1984 اعمال شد که زیر گروهی از بلورهای غیر دوره ای را تشکیل می دهند . با این وجود، کریستال های تناوبی تا حد زیادی بزرگترین زیر گروه بلورها را تشکیل می دهند.

بسته به ویژگی های فرم خارجی تمایز ایجاد می شود

• کریستال‌های شکل‌گرفته بدون آسیب، به اصطلاح idiomorphic ( یونان باستان ἲδιος ìdios «خود» و μορφἠ morphe «شکل») و
• کریستالهای زنومورفیک (یونان باستان ξένος xénos «خارجی» و μορφἠ morphe «شکل») که شکل خارجی آنها توسط رابط های خارجی تعیین می شود .

شکل خارجی کریستال idiomorphic ساختار بلوری مربوطه را نشان می دهد . بنابراین z. ب- بلورهای کلرید سدیم (نمک معمولی، هالیت معدنی) که بدون دستکاری به شکل مکعب رشد کرده اند. حتی در مورد کریستال‌های بی‌شکل معمولاً اعوجاج خاصی در طبیعت وجود دارد، یعنی طول لبه‌ها (اما نه زوایای آن) می‌توانند به طور قابل‌توجهی از شکل ایده‌آل منحرف شوند (قانون ثبات زاویه‌ای ).

شکل خارجی یک کریستال با ویژگی های مستقل عادت کریستالی و عادت کریستالی تعیین می شود . صفحات شبکه، وجه کریستالی مانند های با شاخص های میلر توصیف می شوند .

انواع کریستال ها را می توان از طریق نحوه اتصال بلوک های سازنده آنها نیز متمایز کرد (به عنوان مثال کریستال یونی ).

از آنجایی که ویژگی مشخصه بلورها آرایش منظم در هر سه جهت مکانی است ، اجسامی نیز قابل تصور هستند که اجزای سازنده آنها فقط در یک یا دو جهت مکانی تکرار شوند. سپس می توان از کریستال های یک بعدی و دو بعدی صحبت کرد . در طبیعت ، پروتئین های غشایی وجود دارند که خود را به صورت بلورهای دو بعدی در غشای زیستی قرار می دهند . یک مثال باکتریورودوپسین است . ^[4] در زیست‌شناسی ساختاری ، کریستال‌های دوبعدی رشد برای موقعیت اتمی درشت مولکول‌های متبلور با استفاده از کرایومیکروسکوپ الکترونی تعیین ^{می‌کنند. [5]}

علاوه بر کریستال ها، اجسامی نیز وجود دارند که نظم دوربرد درونی ندارند و به آنها بی شکل می گویند . به عنوان مثال شیشه (همچنین به اصطلاح کریستال سرب و سایر شیشه های کریستال نیز نامیده می شود ).

اگر مایعی ناهمسانگرد باشد و در نتیجه برخی از خواص کریستال را داشته باشد، کریستال مایع است . ^[6]

مبدا کلمه

واژه کریستال از کلمه یونانی κρύσταλλος گرفته شده است کریستالوس (زو سرد krýos “سرما یخبندان، یخبندان، یخ”). در ابتدا به معنای در هومر است یخ – بعداً هر چیزی که شبیه یخ، سبک و شفاف است. به طور خاص کریستال سنگ ، اما سنگ های قیمتی رنگی و شیشه نیز به این صورت نامیده می شوند (مثلاً در استرابون و کلودیوس آیلیانوس ). ^[7]

کشف شده اند که قبلاً در یونان باستان انجام در حین استخراج معدن احتمالاً بلورهای کوارتز می شد . تصور می شد که آنها یخی هستند که باید در دماهای پایینی تشکیل شده باشند که دیگر نمی توانند ذوب شوند. این دیدگاه تا اوایل قرون وسطی رواج داشت. در مورد لاتین کریستالوس (همچنین کریستالوس ، به ویژه «کریستال کوه»، ^[8] و کریستال لاپیس ^[9] شکل گرفته است آلمانی قدیمی )، اصطلاح kristallo که در طول زمان به کریستال تغییر یافته است . ^[10] همچنین در قرن 19 مورد استفاده قرار گرفت کریستال .

Pac Products persian پلی آلومینیوم کلراید (PAC)

ساختار و طبقه بندی بلورهای تناوبی

جهت و طول بردارهایی که یک ساختار کریستالی را می توان به گونه ای جابجا کرد که موقعیت های اتمی تکرار شوند، ^[12] توصیف می کنند بردارهای ترجمه یا پایه را . بنابراین، ساختار هر نوع کریستال با سیستم مختصات خاص خود یعنی سیستم محوری نشان داده می شود . ^[13] علاوه بر ترجمه، یک ساختار کریستالی نیز می تواند حول این محورها بچرخد تا زمانی که ساختار چرخیده با ساختار اصلی منطبق شود. از آنجا که تقارن انتقالی باید حفظ شود، تقارن های چرخشی فقط می توانند اتفاق بیفتند که یک، دو، سه، چهار یا شش تکرار را در یک چرخش کامل (360 درجه) توصیف کنند. ما از محورهای 1، 2، 3، 4 یا 6 برابری صحبت می کنیم. ^[14] کریستال هایی وجود دارند که علاوه بر محورهای چرخشی و ترجمه، عناصر تقارن دارای دیگری هستند، یعنی سطوح آینه ای و مراکز وارونگی ، و همچنین اتصالات بین این تقارن ها به وارونگی های چرخشی ^{[یادداشت 1]} ، بازتاب های لغزشی ^{[یادداشت 2]} و پیچ . ^{[یادداشت 3] [15]}

از ویژگی های تقارن برای طبقه بندی کریستال ها استفاده می شود. ^[16] تعداد ترکیب‌ها و جفت‌های ممکن عناصر تقارن محدود است (همچنین به نظریه گروه مراجعه کنید ). در بلورهای سه بعدی وجود دارد 17 گروه کریستالوگرافی مسطح در کریستال های دو بعدی و 230 گروه فضای کریستالوگرافی که به طور کامل در جدول های بین المللی کریستالوگرافی جلد A فهرست شده ^{است. [17] [18]}

اگر یک کریستال جدید بررسی شود، گروه فضایی در ابتدا ناشناخته است. هنگام توصیف شکل بیرونی کریستال، فقط می توان آن را به یکی از 32 گروه نقطه (که کلاس های کریستال نیز نامیده می شود) اختصاص داد. این گروه‌های نقطه‌ای خواص تقارن ماکروسکوپی کریستال‌ها را توصیف می‌کنند و گروه‌های فضایی را که فقط در تقارن انتقالی متفاوت هستند، خلاصه می‌کنند. هنگام نگاه کردن به بلورها از بیرون، ترجمه نقشی ندارد. ^[19] از آنجایی که زوایای بین صفحات کریستالی برای هر نوع کریستال یکسان است و اغلب با یک تقارن چرخشی سازگار است (مثلاً 90 درجه برای هالیت با تقارن چرخشی چهار برابر)، از هفت سیستم کریستالی برای توصیف مورفولوژی کریستال استفاده می شود که در آن موقعیت قرار می گیرد. و محورهای نسبی طول سلول متمایز. بسته به اینکه کریستال به کدام سیستم بلوری تعلق دارد، یک کریستال سه کلینیک ، تک کلینیک ، متعامد ، چهارضلعی ، مثلثی ، شش ضلعی یا مکعبی است . ^[20]

آگوست براویس شبکه های مختلف ترجمه ممکن را طبقه بندی کرد. مساوی تشکیل شده اند این شبکه ها از متوازی الاضلاع که رئوس آنها نشان دهنده نقاط شبکه است. او برای اینکه بتواند تقارن شبکه‌های خاصی را توصیف کند، نه تنها سلول‌های واحد ابتدایی (با یک نقطه شبکه در هر سلول) بلکه سلول‌های واحد بزرگ‌تر را که روی یا بدن محور هستند نیز مجاز کرد. نمونه ای از سلول واحد چهره محور در شکل 5 نشان داده شده است. در فضای سه بعدی وجود دارد 14 شبکه Bravais . ^[11]

در تجزیه و تحلیل ساختار بلوری ، الگوهای پراکندگی پراش اشعه ایکس را می توان به یازده گروه نقطه ای مرکز متقارن گروه های Laue یا کلاس های Laue به نام تقسیم کرد. این به این دلیل است که الگوهای پراش مرکز متقارن در ساختارهای کریستالی غیرمتقارن نیز رخ می دهد، زیرا بازتاب ها به صورت جفت فریدل با شدت معمولی یکسان ظاهر می شوند. بنابراین، گروه‌های Laue را می‌توان با افزودن یک مرکز تقارن به گروه نقطه‌ای کریستال به دست آورد. ^[21]

ساختار کریستالی مختص ماده نیست، یعنی یک ماده با ترکیب شیمیایی خاص بسته به شرایط خارجی (فشار، دما) می‌تواند ساختارهای متفاوتی از نظر ترمودینامیکی پایدار داشته باشد. ساختارهای کریستالی مختلف یک ماده را اصلاح می نامند . وجود تغییرات مختلف را چندشکلی می نامند . مختلفی را نشان می دهد فیزیک فازهای این تغییرات از نظر شیمی که محدوده پایداری آنها را می توان در نمودارهای فازی نشان داد . در مورد آهن تغییرات یا مراحل جداگانه یک ماده معمولاً پشت سر هم با حروف کوچک یونانی شماره گذاری می شوند ( مثلاً ، α- ( فریت )، γ- ( آستنیت )، δ-، ε-آهن؛ رجوع کنید به آهن) . -نمودار کربن ).

تبلور

یک کریستال زمانی تشکیل می شود که اتم ها یا مولکول ها یک ساختار منظم دوربرد تشکیل دهند. در سیستم های یک ماده رخ می دهد ، تبلور از فاز متبلور دیگر، از بخار ، یا از مذاب . علاوه بر این، کریستال ها می توانند از سیستم های چند جزئی، یعنی از یک محلول تشکیل شوند . به منظور امکان تبلور، وضعیت اتم ها یا مولکول ها نباید در حالت تعادل باشد. بخار و محلول ها استفاده می شود اشباع برای از فوق . ^[22]

سرعت در رشد کریستال نقش دارد. برای مثال، در مورد مذاب، دما باید به آرامی به زیر نقطه ذوب برسد . سپس حرکت حرارتی تک تک اتم ها آنقدر کوچک می شود که پیوندهای متقابل دیگر نمی توانند با ارتعاشات شکسته شوند – یک شبکه یکنواخت تشکیل می شود که با نظم دوربرد مشخص می شود. از سوی دیگر، اگر دمای مذاب آنقدر سریع کاهش یابد که اتم ها نتوانند خود را به صورت دوره ای مرتب کنند، یک ماده بی شکل تشکیل می شود، شیشه ای که فقط دارای نظم کوتاه برد است . به دلیل ساختار منظم آن بر روی یک شبکه، کریستال دارای آنتالپی آزاد کمتری نسبت به شیشه آمورف است .

تشکیل یک کریستال یک فرآیند اگزرگونیک است : اگرچه آنتروپی در سیستم کاهش می‌یابد (به دلیل افزایش ترتیب دوربرد)، در دماهای تا نقطه ذوب با کاهش آنتالپی به دلیل جاذبه بین ذرات جبران می‌شود. (= آنتالپی تبلور ).

نقطه شروع برای تشکیل کریستال یک هسته تبلور است که با کاهش دما رشد می کند. اگر چنین هسته های کریستالی زیادی وجود داشته باشد یا اگر تبلور همزمان در چندین نقطه شروع شود، یک پلی کریستال تشکیل می شود . ) در طول تبلور با هم رشد می کنند در بسیاری از موارد، دو کریستال با ساختار و ترکیب یکسان، اما جهت گیری فضایی متفاوت ( دوقلوهای کریستالی .

تبلور مجدد تغییر در ساختار بلوری به دلیل تغییر عوامل خارجی مانند شرایط فشار و دما است. در اینجا، جامد کریستالی تغییر خود را تغییر می دهد .

تولید مصنوعی کریستال ها را رشد کریستال می نامند .

خواص

کریستال های معدنی غیر فلزی سخت تر اما شکننده تر هستند. همه فلزات معمولاً در حالت تعادل ترمودینامیکی به شکل کریستالی جامد می شوند.

رفتار نور در کریستال ها توسط اپتیک کریستال توصیف می شود . خواص و پدیده های مهم مربوط به آن فعالیت نوری ، قطبش ، دوشکستگی و پلئوکریسم است . دوره ای ساختارهای دی الکتریک ، به اصطلاح بلورهای فوتونیک ، ویژگی های نوری جدیدی را نشان می دهند.

برخی از کریستال ها، به عنوان مثال. B. بلورهای کوارتز دارای خواص پیزوالکتریک هستند . ایجاد می کنند هنگامی که تغییر شکل می دهند، ولتاژ الکتریکی و زمانی که ولتاژ الکتریکی اعمال می شود تغییر شکل می دهند. ^[23] این اثر در فندک های پیزو استفاده جرقه های اشتعال برای ایجاد می شود. در الکترونیک عمل می کنند ، کوارتزهای نوسانی پیزوالکتریک به عنوان ژنراتور ساعت (به عنوان مثال در ساعت های کوارتز ). برخی از کریستال های پیزوالکتریک، اما نه همه آنها، اختلاف دما را به جداسازی بار تبدیل می کنند. این خاصیت پیرو الکتریسیته نامیده می شود . ^[24] چنین کریستال هایی در آشکارسازهای حرکت و سنسورهای دما استفاده می شوند . یک مورد خاص از پیرالکتریک، فروالکتریک است : در بلورهای فروالکتریک، قطبش الکتریکی را می توان با اعمال یک ولتاژ معکوس کرد. ^[25]

خطاهای شبکه

یک کریستال واقعی حاوی عیوب شبکه است، یعنی آرایش تناوبی سه بعدی اتم ها مختل می شود. خطاهای نقطه، خطاهای خط، خطاهای ناحیه و خطاهای حجم وجود دارد. عیوب نقطه ای تنها عیوب شبکه هستند که در تعادل ترمودینامیکی نیز رخ می دهند . یک کریستال بدون نقص شبکه دارای حداقل آنتروپی است و طبق قانون دوم ترمودینامیک نمی توان به آن دست یافت . تک بلورهای رشد یافته آزمایشگاهی دارای چگالی نابجایی در حدود 10 ³ – 10 ⁵ cm ^-2 ، بلورهای معمولی و پلی کریستال های 10 ⁵ – 10 ⁹ cm ^-2 و کریستال های بسیار تغییر شکل یافته تا 10 ¹⁴ cm ^-2 هستند . ^[26] ، در عیوب نقطه ای و حجمی معمولاً مشخصه خواص کریستالی-اپتیکی هستند حالی که عیوب خط ( نابجایی ) و عیوب سطحی ( مرزهای دانه ) مشخصه خواص مکانیکی هستند.

شکل ها و نمونه ها

تک کریستال و پلی کریستال

وجود دارد به عنوان یک قاعده، یک جامد کریستالی به صورت چند بلور و نه به صورت تک بلور تشکیل شده است ، یعنی از بلورهای کوچک زیادی ( بلورها ) که با مرزهای دانه از یکدیگر جدا شده اند . به عنوان مثال، اشیاء فلزی، سیم ها و غیره معمولاً پلی کریستال هستند. اگر جسمی از انواع مختلفی از کریستال ها تشکیل شده باشد ، رابط های بین آنها را مرز فاز می نامند .

مواد معدنی

بسیاری از کانی ها قادر به تشکیل انواع شکل ها و رنگ های کریستالی هستند. شناخته شده ترین نمونه ها از یک سو کوارتز است که اشکال آن کل محدوده بی رنگ درشت کریستالی ( کریستال سنگ ) تا ریز کریستالی چند رنگ ( عقیق ) و از سوی دیگر کلسیت با تنوع گونه های مشابه را پوشش می دهد .

بزرگترین بلورهای جهان در معدن Naica در سال 2000 کشف شد . آنها از گچ Marienglas ساخته شده اند ، تا 14 متر طول دارند ^[27] و وزن آنها تا 50 تن است.

الماس ، سخت ترین ، شکل کریستالی کربن ماده معدنی طبیعی است. نیز سیلیکون در نوع الماسی متبلور می شود .

کاربردهای فنی

سیلیکون در حال حاضر ماده ای است که بیشتر در مقادیر زیاد به عنوان تک کریستال (مونوکریستال) استفاده می شود، یعنی در فناوری نیمه هادی . امروزه قطر 30 سانتی متر برای کریستال استوانه ای “کشیده شده” از مذاب رایج است، روندی که به یان چوکرالسکی در حدود سال 1916 برمی گردد. که به عنوان نیمه هادی نیز استفاده می شود، آرسنید گالیم (GaAs) ساختاری به نام مخلوط روی دارد .

نانوتکنولوژی، در میان چیزهای دیگر، با نانو کریستال ها سر و کار دارد .

کریستال های کوچک الماس، کوراندوم و کاربید سیلیکون در حالت تعلیق، شل یا چسبانده شده به عنوان ساینده استفاده می شوند و الماس های جداگانه نیز می توانند به عنوان ابزار برش استفاده شوند.

کریستال های پیزو می توانند میکروفون یا بلندگو، سنسور نیرو یا محرک باشند.

آماده سازی در کارخانه های شیمیایی با تبلور مجدد تمیز می شود.

با این حال، کریستالیزاسیون در تولید شیشه مورد نظر نیست. در تولید فلز، هدف معمولاً داشتن کریستالیت ها یا دانه هایی است که تا حد امکان ریز باشند.

کریستال های آلی

مواد آلی، به عنوان مثال. B. قند و پروتئین ، کریستال تشکیل می دهند – دومی، با این حال، تنها در موارد استثنایی. وجود دارد در پراکسی زوم های گیاهان به عنوان مثال، کریستال های کاتالاز که با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده است . ^[28] آنزیم کاتالاز یک پروتئین است. پروتئین کریستالوگرافی با رشد کریستال ها از پروتئین ها برای تجزیه و تحلیل ساختاری سروکار دارد .

کلوئیدها

کلوئیدها معمولاً پاراکریستال‌ها را تشکیل می‌دهند زیرا همه بلوک‌های ساختمانی یکسان نیستند، خود بلوک‌های ساختمانی معمولاً ناهمسانگرد هستند و به دلیل اینکه پیوندهای قوی و ضعیف بین اتم‌ها و گروه‌هایی از اتم‌ها همزیستی دارند. تک پراکنده کره سخت از سوی دیگر، سوسپانسیون های ، می توانند کریستال ها را تشکیل دهند، زیرا بلوک های سازنده همه یکسان و همسانگرد هستند.