Izpratne par kristālu struktūru: visaptverošs ceļvedis

Kristāla struktūra attiecas uz sakārtotu atomu, jonu vai molekulu izvietojumu kristāliskā materiālā. Šis izvietojums nav nejaušs; drīzāk tas veido ļoti regulāru, atkārtojošos modeli, kas stiepjas trīs dimensijās. Izpratne par kristāla struktūru ir fundamentāla materiālzinātnē, ķīmijā un fizikā, jo tā nosaka materiāla fizikālās un ķīmiskās īpašības, tostarp tā stiprību, vadītspēju, optisko uzvedību un reaktivitāti.

Kāpēc kristāla struktūra ir svarīga?

Atomu izvietojumam kristālā ir dziļa ietekme uz tā makroskopiskajām īpašībām. Apsveriet šādus piemērus:

Dimanti pret grafītu: Abi ir veidoti no oglekļa, bet to krasi atšķirīgās kristālu struktūras (tetraedrisks tīkls dimantam, slāņainas loksnes grafītam) rada milzīgas atšķirības cietībā, elektrovadītspējā un optiskajās īpašībās. Dimanti ir slaveni ar savu cietību un optisko spožumu, kas tos padara par vērtīgiem dārgakmeņiem un griezējinstrumentiem. Grafīts, no otras puses, ir mīksts un elektrovadošs, kas to padara noderīgu kā smērvielu un zīmuļos.
Tērauda sakausējumi: Neliela daudzuma citu elementu (piemēram, oglekļa, hroma, niķeļa) pievienošana dzelzij var būtiski mainīt kristāla struktūru un līdz ar to tērauda stiprību, plastiskumu un izturību pret koroziju. Piemēram, nerūsējošais tērauds satur hromu, kas uz virsmas veido pasīvu oksīda slāni, nodrošinot aizsardzību pret koroziju.
Pusvadītāji: Pusvadītāju, piemēram, silīcija un germānija, īpašā kristāla struktūra ļauj precīzi kontrolēt to elektrovadītspēju, izmantojot leģēšanu, kas ļauj izveidot tranzistorus un citas elektroniskās ierīces.

Tāpēc kristāla struktūras manipulēšana ir spēcīgs veids, kā pielāgot materiālu īpašības konkrētiem lietojumiem.

Kristalogrāfijas pamatjēdzieni

Režģis un elementārdaļa

Režģis ir matemātiska abstrakcija, kas attēlo periodisku atomu izvietojumu kristālā. Tas ir bezgalīgs punktu masīvs telpā, kur katram punktam ir identiska apkārtne. Elementārdaļa ir mazākā režģa atkārtojošā vienība, kas, pārvietota trīs dimensijās, ģenerē visu kristāla struktūru. Uztveriet to kā kristāla pamata būvelementu.

Pamatojoties uz elementārdaļas simetriju, pastāv septiņas kristālu sistēmas: kubiskā, tetragonālā, ortorombiskā, monoklīnā, triklīnā, heksagonālā un romboedriskā (zināma arī kā trigonālā). Katrai sistēmai ir specifiskas attiecības starp elementārdaļas malām (a, b, c) un leņķiem (α, β, γ).

Bravē tīkli

Ogists Bravē pierādīja, ka pastāv tikai 14 unikāli trīsdimensiju režģi, kas pazīstami kā Bravē tīkli. Šie tīkli apvieno septiņas kristālu sistēmas ar dažādām centrēšanas iespējām: primitīvo (P), tilpumā centrēto (I), plaknē centrēto (F) un bāzē centrēto (C). Katram Bravē tīklam ir unikāls režģa punktu izvietojums tā elementārdaļā.

Piemēram, kubiskajai sistēmai ir trīs Bravē tīkli: primitīvais kubiskais (cP), tilpumā centrētais kubiskais (cI) un plaknē centrētais kubiskais (cF). Katram ir atšķirīgs atomu izvietojums elementārdaļā un līdz ar to atšķirīgas īpašības.

Atomu bāze

Atomu bāze (vai motīvs) ir atomu grupa, kas saistīta ar katru režģa punktu. Kristāla struktūru iegūst, novietojot atomu bāzi katrā režģa punktā. Kristāla struktūrai var būt ļoti vienkāršs režģis, bet sarežģīta bāze, vai otrādi. Struktūras sarežģītība ir atkarīga gan no režģa, gan no bāzes.

Piemēram, NaCl (vārāmā sāls) gadījumā režģis ir plaknē centrēts kubiskais (cF). Bāze sastāv no viena Na atoma un viena Cl atoma. Na un Cl atomi ir novietoti specifiskās koordinātās elementārdaļā, lai radītu kopējo kristāla struktūru.

Kristālu plakņu aprakstīšana: Millera indeksi

Millera indeksi ir trīs veselu skaitļu kopa (hkl), ko izmanto, lai norādītu kristālu plakņu orientāciju. Tie ir apgriezti proporcionāli plaknes krustpunktiem ar kristalogrāfiskajām asīm (a, b, c). Lai noteiktu Millera indeksus:

Atrodiet plaknes krustpunktus ar a, b un c asīm, izteiktus kā elementārdaļas izmēru reizinājumus.
Paņemiet šo krustpunktu apgrieztās vērtības.
Reducējiet apgrieztās vērtības līdz mazākajai veselu skaitļu kopai.
Ielieciet veselos skaitļus iekavās (hkl).

Piemēram, plaknei, kas krusto a-asi punktā 1, b-asi punktā 2 un c-asi bezgalībā, Millera indeksi ir (120). Plaknei, kas paralēla b un c asīm, Millera indeksi būtu (100).

Millera indeksi ir būtiski, lai izprastu kristālu augšanu, deformāciju un virsmas īpašības.

Kristāla struktūras noteikšana: difrakcijas metodes

Difrakcija ir parādība, kas rodas, kad viļņi (piemēram, rentgenstari, elektroni, neitroni) mijiedarbojas ar periodisku struktūru, piemēram, kristāla režģi. Difraktētie viļņi interferē viens ar otru, radot difrakcijas ainu, kas satur informāciju par kristāla struktūru.

Rentgenstaru difrakcija (XRD)

Rentgenstaru difrakcija (XRD) ir visplašāk izmantotā metode kristāla struktūras noteikšanai. Kad rentgenstari mijiedarbojas ar kristālu, tos izkliedē atomi. Izkliedētie rentgenstari konstruktīvi interferē noteiktos virzienos, radot difrakcijas ainu ar punktiem vai gredzeniem. Šo punktu leņķi un intensitātes ir saistītas ar attālumu starp kristālu plaknēm un atomu izvietojumu elementārdaļā.

Brega likums apraksta saistību starp rentgenstaru viļņa garumu (λ), krišanas leņķi (θ) un attālumu starp kristālu plaknēm (d):

nλ = 2d sinθ

Kur n ir vesels skaitlis, kas apzīmē difrakcijas kārtu.

Analizējot difrakcijas ainu, ir iespējams noteikt elementārdaļas izmēru un formu, kristāla simetriju un atomu pozīcijas elementārdaļā.

Elektronu difrakcija

Elektronu difrakcija izmanto elektronu kūli rentgenstaru vietā. Tā kā elektroniem ir īsāks viļņa garums nekā rentgenstariem, elektronu difrakcija ir jutīgāka pret virsmas struktūrām un to var izmantot, lai pētītu plānās kārtiņas un nanomateriālus. Elektronu difrakciju bieži veic transmisijas elektronu mikroskopos (TEM).

Neitronu difrakcija

Neitronu difrakcija izmanto neitronu kūli. Neitronus izkliedē atomu kodoli, padarot neitronu difrakciju īpaši noderīgu vieglo elementu (piemēram, ūdeņraža) pētīšanai un elementu ar līdzīgiem atomu numuriem atšķiršanai. Neitronu difrakcija ir jutīga arī pret magnētiskajām struktūrām.

Kristālu defekti

Reāli kristāli nekad nav perfekti; tie vienmēr satur kristālu defektus, kas ir novirzes no ideālā periodiskā atomu izvietojuma. Šie defekti var būtiski ietekmēt materiālu īpašības.

Punktveida defekti

Punktveida defekti ir nulles dimensijas defekti, kas ietver atsevišķus atomus vai vakances.

Vakances: Trūkstoši atomi no režģa mezgliem.
Starpmezglu atomi: Atomi, kas atrodas starp režģa mezgliem.
Substitūcijas atomi: Cita elementa atomi, kas aizņem režģa mezglus.
Frenkeļa defekts: Viena un tā paša atoma vakances-starpmezglu pāris.
Šotkija defekts: Vakancu pāris (katjons un anjons) jonu kristālā, saglabājot lādiņa neitralitāti.

Līnijveida defekti (dislokācijas)

Līnijveida defekti ir viendimensijas defekti, kas stiepjas pa līniju kristālā.

Malas dislokācija: Papildu atomu pusplakne, kas ievietota kristāla režģī.
Skrūves dislokācija: Spirālveida atomu rampa ap dislokācijas līniju.

Dislokācijām ir izšķiroša loma plastiskajā deformācijā. Dislokāciju kustība ļauj materiāliem deformēties, nesalūstot.

Plaknes defekti

Plaknes defekti ir divdimensiju defekti, kas stiepjas pa plakni kristālā.

Graudu robežas: Saskarnes starp dažādiem kristālu graudiem polikristāliskā materiālā.
Kraušanas defekti: Pārtraukumi regulārajā kristālu plakņu kraušanas secībā.
Dvīņu robežas: Robežas, kur kristāla struktūra ir spoguļattēlā pāri robežai.
Virsmas defekti: Kristāla virsma, kur periodiskā struktūra tiek pārtraukta.

Tilpuma defekti

Tilpuma defekti ir trīsdimensiju defekti, piemēram, tukšumi, ieslēgumi vai otras fāzes nogulsnes. Šie defekti var būtiski ietekmēt materiāla stiprību un lūšanas pretestību.

Polimorfisms un alotropija

Polimorfisms attiecas uz cietas vielas spēju pastāvēt vairāk nekā vienā kristāla struktūrā. Kad tas notiek ar elementiem, to sauc par alotropiju. Dažādās kristālu struktūras sauc par polimorfiem vai alotropiem.

Piemēram, ogleklim ir raksturīga alotropija, tas pastāv kā dimants, grafīts, fullerēni un nanocaurules, katram ar atšķirīgām kristālu struktūrām un īpašībām. Titāna dioksīdam (TiO2) ir trīs polimorfi: rutils, anatāzs un brukīts. Šiem polimorfiem ir dažādas aizliegtās zonas un tie tiek izmantoti dažādos pielietojumos.

Dažādu polimorfu stabilitāte ir atkarīga no temperatūras un spiediena. Fāžu diagrammas parāda stabilo polimorfu dažādos apstākļos.

Kristālu augšana

Kristālu augšana ir process, kurā veidojas kristālisks materiāls. Tas ietver kristālu kodolu veidošanos un augšanu no šķidras, tvaika vai cietas fāzes. Ir dažādas metodes kristālu audzēšanai, katra piemērota dažādiem materiāliem un pielietojumiem.

Augšana no kausējuma

Augšana no kausējuma ietver materiāla sacietēšanu no tā izkausētā stāvokļa. Bieži lietotās metodes ietver:

Čohraļska metode: Aizmetņa kristāls tiek iemērcēts izkausētā materiālā un lēnām vilkts uz augšu, vienlaikus rotējot, liekot materiālam kristalizēties uz aizmetņa.
Bridžmena metode: Tīģelis ar izkausētu materiālu tiek lēnām pārvietots caur temperatūras gradientu, liekot materiālam sacietēt no viena gala uz otru.
Zonas kausēšanas metode: Šaura izkausēta zona tiek virzīta gar materiāla stieni, ļaujot audzēt augstas tīrības monokristālus.

Augšana no šķīduma

Augšana no šķīduma ietver materiāla kristalizāciju no šķīduma. Šķīdums parasti ir piesātināts ar materiālu, un kristāli tiek audzēti, lēnām atdzesējot šķīdumu vai iztvaicējot šķīdinātāju.

Augšana no tvaika fāzes

Augšana no tvaika fāzes ietver atomu nogulsnēšanos no tvaika fāzes uz substrāta, kur tie kondensējas un veido kristālisku kārtiņu. Bieži lietotās metodes ietver:

Ķīmiskā tvaiku nogulsnēšana (CVD): Tvaika fāzē notiek ķīmiska reakcija, kas rada vēlamo materiālu, kurš pēc tam nogulsnējas uz substrāta.
Molekulāro kūļu epitaksija (MBE): Atomu vai molekulu kūļi tiek virzīti uz substrātu ultra-augsta vakuuma apstākļos, ļaujot precīzi kontrolēt kārtiņas sastāvu un struktūru.

Kristāla struktūras zināšanu pielietojumi

Izpratnei par kristāla struktūru ir daudz pielietojumu dažādās jomās:

Materiālzinātne un inženierija: Jaunu materiālu ar specifiskām īpašībām projektēšana, kontrolējot to kristāla struktūru.
Farmācija: Zāļu molekulu kristāla struktūras noteikšana, lai izprastu to mijiedarbību ar bioloģiskajiem mērķiem un optimizētu to formulu. Polimorfisms ir ļoti svarīgs farmācijā, jo dažādiem vienas un tās pašas zāles polimorfiem var būt atšķirīga šķīdība un biopieejamība.
Elektronika: Pusvadītāju ierīču izgatavošana ar kontrolētu elektrovadītspēju, manipulējot ar kristāla struktūru un leģēšanas līmeņiem.
Mineraloģija un ģeoloģija: Minerālu identificēšana un klasificēšana, pamatojoties uz to kristāla struktūru.
Ķīmijas inženierija: Katalizatoru ar specifiskām kristālu struktūrām projektēšana, lai uzlabotu reakcijas ātrumu un selektivitāti. Ceolīti, piemēram, ir alumosilikātu minerāli ar labi definētām poru struktūrām, ko izmanto kā katalizatorus un adsorbentus.

Padziļināti jēdzieni

Kvazikristāli

Kvazikristāli ir aizraujoša materiālu klase, kam piemīt tālās kārtības sakārtojums, bet trūkst translācijas periodiskuma. Tiem piemīt rotācijas simetrijas, kas nav savienojamas ar parastajiem kristālu režģiem, piemēram, pieckārtīga simetrija. Kvazikristālus pirmo reizi atklāja 1982. gadā Dans Šehtmans, kuram par šo atklājumu 2011. gadā tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.

Šķidrie kristāli

Šķidrie kristāli ir materiāli, kuriem piemīt īpašības, kas ir starp parastā šķidruma un cieta kristāla īpašībām. Tiem piemīt tālās kārtības orientācijas sakārtojums, bet trūkst tālās kārtības pozicionālā sakārtojuma. Šķidros kristālus izmanto displejos, piemēram, LCD ekrānos.

Noslēgums

Kristāla struktūra ir fundamentāls jēdziens materiālzinātnē, kas nosaka kristālisko materiālu īpašības. By understanding the arrangement of atoms in a crystal, we can tailor the properties of materials for specific applications. No dimantu cietības līdz pusvadītāju vadītspējai, kristāla struktūrai ir izšķiroša loma pasaules veidošanā ap mums. Metodes, ko izmanto kristāla struktūras noteikšanai, piemēram, rentgenstaru difrakcija, ir būtiski instrumenti materiālu raksturošanai un pētniecībai. Turpmāka kristālu defektu, polimorfisma un kristālu augšanas izpēte neapšaubāmi nākotnē novedīs pie vēl inovatīvākiem materiāliem un tehnoloģijām.