الشبكة البلورية

الكريستال أو البلورة هي عبارة عن أي مادة صلبة يتم فيها ترتيب الذرات المكون فيها وذلك يكون في نمط محدد، وهذا النمط يعكس انتظام سطح البلورة وتناسقها الداخلي، أما بالنسبة للشبكة البلورية أو البنية البلورية التي تعرف بـ (crystal lattice)، فهي كيفية ترتيب الذرات أو الجزيئات أو الأيونات لبلورة ما على شكل شبكة فضاء.

ما هي الفئات التي تم تصنيف البلورات من خلالها؟

• لقد تم تصنيف البلورات ضمن فئات عامة، وهذه الفئات عبارة عن فئة للعوازل وفئة للمعادن وفئة لأشباه الموصلات وفئة للمواد الصلبة الجزيئية.

• عادة ما يكون هناك بلورة واحدة للعازل، حيث أن هذه البلورة شفافة، كما وأنها تشبه قطعة من قطع الزجاج.

• بالنسبة للمعادن فهي تكون لامعة ما لم تصدأK بينما تكون أشباه الموصلات في بعض الأحيان لامعة وأخرى تكون شفافة ولكنها لا يمكن أن تصدأ أبدا.

• يمكن أن يتم تصنيف العديد من البلورات من خلال اعتبارها على أنها عبارة عن نوع واحد من المواد الصلبة، علما بأن البلورات الأخرى يكون لها سلوك وسيط.

• يمكن أن يتم تحضير كبريتيد الكادميوم (CdS) ويكون في صورة نقية، وكبريتيد الكادميوم يعد عازل ممتاز، حيث أنه يصبح من أشباه الموصلات المثيرة للاهتمام.

• على ما يبدو أن البزموت (Bi) عبارة عن معدن، لكن عدد الإلكترونات التي تكون متاحة للتوصيل الكهربائي هو يساوي نفس عدد الإلكترونات الخاصة بأشباه الموصلات؛ لذا فإنه في الواقع، يتم تسمية البزموت ووصفه على أنه نصف معدني.

• المواد الصلبة الجزيئية عادة تكون بلورات مكونة إما من جزيئات أو من بوليمرات، حيث أنها يمكن أن تكون إما بلورات عازلة أو بلورات شبه موصلة أو بلورات معدنية، وذلك يعتمد على نوع الجزيئات الموجودة في داخل البلورة، ودائما ما يتم تصنيع جزيئات جديدة وباستمرار، والعديد من هذه الجزيئات يتحول إلى بلورات، والرائع في هذا الأمر أن عدد البلورات المختلفة يكون هائل.

البناء البلوري

يمكن أن تقوم البلورات بالنمو تحت الظروف المعتدلة، هناك أكثر من 92 عنصرا طبيعيا يمر بالنمو تحت الظروف المعتدلة باستثناء الهليوم، حيث أنه يمكن لبلورة الهيليوم النمو في درجات الحرارة المنخفضة، وذلك باستخدام 25 ضغطا جويا.

كما أن البلورات الثنائية تتكون من عنصرين مختلفين، حيث أنه هناك الآلاف من البلورات الثنائية، وهناك بعض الأمثلة على البلورات الثنائية وهي كالتالي: كلوريد الصوديوم (NaCl) والألومينا (Al2O3) والثلج (H2O)، كما أنه يمكن أيضا أن تتكون البلورات من ثلاثة عناصر أو أكثر من ذلك حتى.

وحدة الخلية (The unit cell)

المفهوم الأساسي والرئيسي في الهياكل والبنية البلورية هو عبارة عن وحدة الخلية، حيث إنها تعد أصغر وحدة حجم تسمح بتكديس ورص الخلايا المتطابقة معا؛ وذلك يتم لملء كل المساحة بحيث لا يكون هناك فراغات قدر الإمكان، ويتم ذلك من خلال العمل على تكرار نمط وحدة الخلية أكثر من مرة في مختلف الاتجاهات، ويمكن أن يتم بناء الشبكة البلورية بأكملها.

بالنسبة لهيكل المكعب، هو يعد أبسط مثال لوحدة الخلية، يظهر ذلك أما على الشكل الأول وهو أن وحدة الخلية للشبكة المكعبة يكون محورها الوجه، والشكل الثاني وحدة الخلية للشبكة المكعبة يكون محورها الجسم.

ليس هناك إلا عدد قليل من أشكال وحدة الخلية المختلفة، بسبب ذلك؛ فإنه تشترك العديد من البلورات المختلفة في نوع وحدة خلية واحدة، ومن الخصائص التي تعد مهمة في وحدة الخلية هي عبارة عن عدد الذرات التي تحتوي عليها هذه الوحدة، حيث أن إجمالي عدد الذرات في البلورة بشكل كامل هو عبارة عن العدد في كل خلية مضروبا في عدد وحدة الخلية.

يحتوي كل من النحاس (Cu) والألمنيوم (Al) على ذرة واحدة لكل وحدة خلية، بينما الزنك (Zn) وكلوريد الصوديوم (NaCl)  يحتوي كل منهما على ذرتين، في حين أنه تحتوي معظم البلورات على عدد قليل من الذرات لكل وحدة خلية، ولكن في الاتجاه الآخر فإنه هناك بعض الاستثناءات، حيث أنه تحتوي بلورات البوليمرات على آلاف الذرات في كل خلية وحدة فيها.

البنية البلورية للمعادن

تم العثور على العناصر في مجموعات مختلفة من ترتيبات التعبئة للبلورات، حيث أن أكثر هذه الهياكل الشبكية شيوعا للمعادن هي عبارة عن الهياكل التي يتم الحصول عليها عن طريق تكديس ورص المجالات الذرية في الترتيب الأكثر تقاربا وإحكاما.

أما بالنسبة للطبقة الثانية يكون لها نفس الهيكل المستوي المثلث، حيث أن الذرات تجلس في الفراغات التي تكونت بفعل الطبقة الأولى، كما أن الطبقة الأولى تحتوي على مجموعتين متكافئتين من الفراغات، بينما ذرات الطبقة الثانية يمكن أن تشغل مجموعة واحدة فقط.

أما الطبقة الثالثة، والتي يطلق عليها المسمى أو الرمز C، فإن لها نفس البنية والهيكل، ولكن هناك خياران ليتم اختيار الفراغات التي ستشغلها الذرات، حيث أنه يمكن وضع الطبقة الثالثة فوق ذرات الطبقة الأولى، مما يؤدي إلى تسلسل طبقة بديلة ABABAB وهكذا، وهو ما يطلق عليه الهيكل السداسي المتقارب (hcp)، يتبلور كلا من الكادميوم والزنك بنفس آلية هذا الهيكل.

الاحتمال الثاني هو أن يتم وضع ذرات الطبقة الثالثة فوق ذرات أي من الطبقتين، ولكن بدلا من ذلك نبقي على مجموعة الفراغات في الطبقة الأولى والتي تبقى غير مستخدمه، كما ويتم وضع الطبقة الرابعة فوق الطبقة الأولى، وبالتالي يوجد لدينا تكرار ثلاثي الطبقات ABCABCABC وهكذا، والتي يتم تسميتها بمكعب متمركز في الوجه (fcc)، أو يمكن وصفه بالمكعب المعبأ بشكل متقارب، يتبلور كلا من النحاس والفضة (Ag) والذهب (Au) في مشابك fcc.

كما وتم العثور على هيكل fcc أيضا لبلورات المواد الصلبة الغازية النادرة التالية: بلورات النيون (Ne) وبلورات الأرجون (Ar) وبلورات الكريبتون (Kr) وبلورات الزينون (Xe).

في كلا من هياكل hcp و fcc، فإنه تملأ الكرات تقريبا 74 بالمائة من الحجم، وهو ما يمثل أقرب تعبئة ممكنة للكرات، حيث أن كل ذرة يكون لديها 12 ذرة مجاورة لها، وعدد الذرات في خلية الوحدة هو عبارة عن اثنان لـ hcp وواحد لـ fcc.

هناك ترتيب آخر محتمل هو الشبكة المكعبة (bcc) التي يكون محورها الجسم، حيث تحتوي كل ذرة فيها على ثمانية ذرات مجاورة لها مرتبة في زوايا المكعب، مثلا هيكل كلوريد السيزيوم (CsCl)، وهو يتبع هيكل المكعب، فإذا كانت جميع الذرات في هذا الهيكل من نفس النوع، فهي تعد شبكة bcc، حيث تشغل الكرات تقريبا 68 بالمائة من الحجم.