ദ്രവ്യത്തിന്റെ രഹസ്യങ്ങൾ അനാവരണം ചെയ്യുന്നു: ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയെയും അതിൻ്റെ ഗുണങ്ങളെയും കുറിച്ചുള്ള ഒരു ആഴത്തിലുള്ള പഠനം

നിങ്ങൾക്ക് ചുറ്റും നോക്കൂ. നിങ്ങളുടെ കയ്യിലുള്ള സ്മാർട്ട്‌ഫോൺ, അംബരചുംബികളുടെ സ്റ്റീൽ ബീമുകൾ, നമ്മുടെ ഡിജിറ്റൽ ലോകത്തിന് കരുത്ത് പകരുന്ന സിലിക്കൺ ചിപ്പുകൾ—ആധുനിക എഞ്ചിനീയറിംഗിന്റെ ഈ അത്ഭുതങ്ങളെല്ലാം നിർവചിക്കപ്പെടുന്നത് നഗ്നനേത്രങ്ങൾക്ക് അദൃശ്യമായ ഒന്നിലൂടെയാണ്: അവയിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ കൃത്യവും ചിട്ടയുമായ ക്രമീകരണം. ഈ അടിസ്ഥാനപരമായ ഓർഗനൈസേഷൻ സോളിഡ് സ്റ്റേറ്റ് ഫിസിക്സിന്റെ മേഖലയാണ്, അതിൻ്റെ ഹൃദയഭാഗത്ത് ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന എന്ന ആശയം നിലകൊള്ളുന്നു.

ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയെക്കുറിച്ച് മനസ്സിലാക്കുന്നത് കേവലം ഒരു അക്കാദമിക് വ്യായാമമല്ല. പദാർത്ഥങ്ങളുടെ ഗുണങ്ങൾ പ്രവചിക്കുന്നതിനും, വിശദീകരിക്കുന്നതിനും, ആത്യന്തികമായി രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുന്നതിനുമുള്ള താക്കോലാണിത്. എന്തുകൊണ്ടാണ് വജ്രം പ്രകൃതിയിൽ അറിയപ്പെടുന്ന ഏറ്റവും കടുപ്പമുള്ള പദാർത്ഥമാകുമ്പോൾ, ശുദ്ധമായ കാർബൺ തന്നെയായ ഗ്രാഫൈറ്റ് മൃദുവും വഴുവഴുപ്പുള്ളതുമാകുന്നത്? എന്തുകൊണ്ടാണ് ചെമ്പ് മികച്ച വൈദ്യുത ചാലകമാകുമ്പോൾ സിലിക്കൺ ഒരു അർദ്ധചാലകമാകുന്നത്? ഉത്തരങ്ങൾ അവയിലെ ഘടക ആറ്റങ്ങളുടെ സൂക്ഷ്മമായ വാസ്തുവിദ്യയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഈ പോസ്റ്റ് നിങ്ങളെ ഈ ചിട്ടയായ ലോകത്തിലേക്ക് ഒരു യാത്ര കൊണ്ടുപോകും, ക്രിസ്റ്റലിൻ ഖരങ്ങളുടെ നിർമ്മാണ ഘടകങ്ങളെക്കുറിച്ചും അവയുടെ ഘടന നമ്മൾ ദിവസവും കാണുകയും ഉപയോഗിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന ഗുണങ്ങളെ എങ്ങനെ നിർണ്ണയിക്കുന്നുവെന്നും പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യും.

നിർമ്മാണ ഘടകങ്ങൾ: ലാറ്റിസുകളും യൂണിറ്റ് സെല്ലുകളും

ഒരു ക്രിസ്റ്റലിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ ചിട്ടയായ ക്രമീകരണം വിവരിക്കുന്നതിന്, നമ്മൾ പരസ്പരം ബന്ധപ്പെട്ട രണ്ട് അടിസ്ഥാന ആശയങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു: ലാറ്റിസും യൂണിറ്റ് സെല്ലും.

എന്താണ് ഒരു ക്രിസ്റ്റൽ ലാറ്റിസ്?

ബഹിരാകാശത്ത് അനന്തമായി വ്യാപിച്ചുകിടക്കുന്ന, ത്രിമാന ബിന്ദുക്കളുടെ ഒരു നിരയെ സങ്കൽപ്പിക്കുക. ഓരോ ബിന്ദുവിനും മറ്റെല്ലാ ബിന്ദുക്കളുടേതിനും സമാനമായ ഒരു ചുറ്റുപാടുണ്ട്. ഈ അമൂർത്തമായ ചട്ടക്കൂടിനെ ബ്രവെയ്സ് ലാറ്റിസ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഇത് ക്രിസ്റ്റലിന്റെ ആവർത്തന സ്വഭാവത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്ന ഒരു ശുദ്ധ ഗണിതശാസ്ത്ര നിർമ്മിതിയാണ്. ക്രിസ്റ്റൽ നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്ന ചട്ടക്കൂടായി ഇതിനെ കരുതുക.

ഇനി, ഒരു യഥാർത്ഥ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന സൃഷ്ടിക്കുന്നതിന്, ഈ ലാറ്റിസിലെ ഓരോ ബിന്ദുവിലും ഒന്നോ അതിലധികമോ ആറ്റങ്ങളുള്ള ഒരു സമാന ഗ്രൂപ്പിനെ നമ്മൾ സ്ഥാപിക്കുന്നു. ഈ ആറ്റങ്ങളുടെ ഗ്രൂപ്പിനെ ബേസിസ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു. അതിനാൽ, ഒരു ക്രിസ്റ്റലിന്റെ സൂത്രവാക്യം ലളിതമാണ്:

ലാറ്റിസ് + ബേസിസ് = ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന

ചുമരിലെ വാൾപേപ്പർ ഇതിനൊരു ലളിതമായ ഉദാഹരണമാണ്. നിങ്ങൾ ഒരു മോട്ടിഫ് (ഒരു പൂവ് പോലെ) സ്ഥാപിക്കുന്ന ബിന്ദുക്കളുടെ ആവർത്തന പാറ്റേൺ ലാറ്റിസാണ്. പൂവ് തന്നെയാണ് ബേസിസ്. രണ്ടും ചേരുമ്പോൾ, പൂർണ്ണമായ, പാറ്റേണുള്ള വാൾപേപ്പർ ഉണ്ടാകുന്നു.

യൂണിറ്റ് സെൽ: ആവർത്തന പാറ്റേൺ

ലാറ്റിസ് അനന്തമായതിനാൽ, മുഴുവൻ ഘടനയെയും വിവരിക്കുന്നത് അപ്രായോഗികമാണ്. പകരം, അടുക്കിവെക്കുമ്പോൾ മുഴുവൻ ക്രിസ്റ്റലിനെയും പുനർനിർമ്മിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഏറ്റവും ചെറിയ ആവർത്തന വോളിയം നമ്മൾ തിരിച്ചറിയുന്നു. ഈ അടിസ്ഥാന നിർമ്മാണ ഘടകത്തെ യൂണിറ്റ് സെൽ എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

പ്രധാനമായും രണ്ട് തരം യൂണിറ്റ് സെല്ലുകളുണ്ട്:

• പ്രിമിറ്റീവ് യൂണിറ്റ് സെൽ: ഇത് സാധ്യമായ ഏറ്റവും ചെറിയ യൂണിറ്റ് സെല്ലാണ്, ഇതിൽ ആകെ ഒരു ലാറ്റിസ് പോയിന്റ് കൃത്യമായി അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു (പലപ്പോഴും അതിൻ്റെ കോണുകളിൽ പോയിന്റുകൾ ഉണ്ടാകും, ഓരോ കോണിലെ പോയിന്റും എട്ട് അടുത്തുള്ള സെല്ലുകളുമായി പങ്കിടുന്നു, അതിനാൽ 8 കോണുകൾ × ഓരോ കോണിനും 1/8 = 1 ലാറ്റിസ് പോയിന്റ്).
• കൺവെൻഷണൽ യൂണിറ്റ് സെൽ: ചിലപ്പോൾ, ഒരു വലിയ യൂണിറ്റ് സെൽ തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത് അത് ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയുടെ സമമിതിയെ കൂടുതൽ വ്യക്തമായി പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നതുകൊണ്ടാണ്. ഇവ സാധ്യമായ ഏറ്റവും ചെറിയ വോളിയം അല്ലെങ്കിലും, കാണാനും പ്രവർത്തിക്കാനും എളുപ്പമാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, ഫേസ്-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (FCC) കൺവെൻഷണൽ യൂണിറ്റ് സെല്ലിൽ നാല് ലാറ്റിസ് പോയിന്റുകൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു.

14 ബ്രവെയ്സ് ലാറ്റിസുകൾ: ഒരു സാർവത്രിക വർഗ്ഗീകരണം

19-ാം നൂറ്റാണ്ടിൽ, ഫ്രഞ്ച് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ അഗസ്റ്റെ ബ്രവെയ്സ്, 3D ലാറ്റിസിൽ ബിന്ദുക്കൾ ക്രമീകരിക്കാൻ 14 അദ്വിതീയ വഴികൾ മാത്രമേയുള്ളൂ എന്ന് തെളിയിച്ചു. ഈ 14 ബ്രവെയ്സ് ലാറ്റിസുകളെ അവയുടെ യൂണിറ്റ് സെല്ലുകളുടെ ജ്യാമിതി (വശങ്ങളുടെ നീളം a, b, c, അവയ്ക്കിടയിലുള്ള കോണുകൾ α, β, γ) അനുസരിച്ച് 7 ക്രിസ്റ്റൽ സിസ്റ്റങ്ങളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു.

• ക്യൂബിക്: (a=b=c, α=β=γ=90°) - സിമ്പിൾ ക്യൂബിക് (SC), ബോഡി-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (BCC), ഫേസ്-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (FCC) എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു.
• ടെട്രഗണൽ: (a=b≠c, α=β=γ=90°)
• ഓർത്തോറോംബിക്: (a≠b≠c, α=β=γ=90°)
• ഹെക്സഗണൽ: (a=b≠c, α=β=90°, γ=120°)
• റോംബോഹെഡ്രൽ (അല്ലെങ്കിൽ ട്രൈഗണൽ): (a=b=c, α=β=γ≠90°)
• മോണോക്ലിനിക്: (a≠b≠c, α=γ=90°, β≠90°)
• ട്രൈക്ലിനിക്: (a≠b≠c, α≠β≠γ≠90°)

ഈ ചിട്ടയായ വർഗ്ഗീകരണം അവിശ്വസനീയമാംവിധം ശക്തമാണ്, ഇത് ലോകമെമ്പാടുമുള്ള ക്രിസ്റ്റലോഗ്രാഫർമാർക്കും മെറ്റീരിയൽ ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കും ഒരു സാർവത്രിക ഭാഷ നൽകുന്നു.

ദിശകളും തലങ്ങളും വിവരിക്കുന്നു: മില്ലർ സൂചികകൾ

ഒരു ക്രിസ്റ്റലിൽ, എല്ലാ ദിശകളും ഒരുപോലെയല്ല. നിങ്ങൾ അളക്കുന്ന ദിശയെ ആശ്രയിച്ച് ഗുണങ്ങൾ ഗണ്യമായി വ്യത്യാസപ്പെടാം. ഈ ദിശാധിഷ്ഠിത ആശ്രിതത്വത്തെ അനിസോട്രോപ്പി എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഒരു ക്രിസ്റ്റൽ ലാറ്റിസിലെ ദിശകളും തലങ്ങളും കൃത്യമായി വിവരിക്കുന്നതിന്, മില്ലർ സൂചികകൾ എന്ന നൊട്ടേഷൻ സംവിധാനം നമ്മൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

തലങ്ങൾക്കുള്ള മില്ലർ സൂചികകൾ (hkl) എങ്ങനെ നിർണ്ണയിക്കാം

ഒരു തലത്തിനായുള്ള മില്ലർ സൂചികകളെ (hkl) പോലെ മൂന്ന് പൂർണ്ണസംഖ്യകളായി പരാൻതീസിസിൽ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. അവ കണ്ടെത്തുന്നതിനുള്ള പൊതുവായ നടപടിക്രമം ഇതാ:

1. ഇന്റർസെപ്റ്റുകൾ കണ്ടെത്തുക: യൂണിറ്റ് സെൽ അളവുകളുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ ക്രിസ്റ്റലോഗ്രാഫിക് അക്ഷങ്ങളെ (a, b, c) തലം എവിടെയാണ് മുറിക്കുന്നതെന്ന് നിർണ്ണയിക്കുക. ഒരു തലം ഒരു അക്ഷത്തിന് സമാന്തരമാണെങ്കിൽ, അതിന്റെ ഇന്റർസെപ്റ്റ് അനന്തതയിലാണ് (∞).
2. വ്യുൽക്രമം എടുക്കുക: ഓരോ ഇന്റർസെപ്റ്റിന്റെയും വ്യുൽക്രമം എടുക്കുക. ∞ ന്റെ വ്യുൽക്രമം 0 ആണ്.
3. ഭിന്നസംഖ്യകൾ ഒഴിവാക്കുക: വ്യുൽക്രമങ്ങളെ ഏറ്റവും ചെറിയ പൊതുവായ ഛേദം കൊണ്ട് ഗുണിച്ച് പൂർണ്ണസംഖ്യകളുടെ ഒരു ഗണം നേടുക.
4. പരാൻതീസിസിൽ ഉൾപ്പെടുത്തുക: ഫലമായുണ്ടാകുന്ന പൂർണ്ണസംഖ്യകൾ കോമകളില്ലാതെ പരാൻതീസിസിൽ (hkl) എഴുതുക. ഒരു ഇന്റർസെപ്റ്റ് നെഗറ്റീവ് ആയിരുന്നെങ്കിൽ, അനുബന്ധ സൂചികയ്ക്ക് മുകളിൽ ഒരു ബാർ ഇടുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഒരു തലം a-അക്ഷത്തെ 1 യൂണിറ്റിലും, b-അക്ഷത്തെ 2 യൂണിറ്റിലും, c-അക്ഷത്തെ 3 യൂണിറ്റിലും മുറിക്കുന്നു. ഇന്റർസെപ്റ്റുകൾ (1, 2, 3) ആണ്. വ്യുൽക്രമങ്ങൾ (1/1, 1/2, 1/3) ആണ്. ഭിന്നസംഖ്യകൾ ഒഴിവാക്കാൻ 6 കൊണ്ട് ഗുണിക്കുമ്പോൾ (6, 3, 2) ലഭിക്കുന്നു. ഇത് (632) തലമാണ്.

ദിശകൾക്കുള്ള മില്ലർ സൂചികകൾ [uvw] എങ്ങനെ നിർണ്ണയിക്കാം

ദിശകളെ സ്ക്വയർ ബ്രാക്കറ്റുകളിൽ പൂർണ്ണസംഖ്യകളായി പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു, [uvw] പോലെ.

1. ഒരു വെക്റ്റർ നിർവചിക്കുക: ഉത്ഭവസ്ഥാനത്ത് (0,0,0) നിന്ന് ലാറ്റിസിലെ മറ്റൊരു ബിന്ദുവിലേക്ക് ഒരു വെക്റ്റർ വരയ്ക്കുക.
2. കോർഡിനേറ്റുകൾ നിർണ്ണയിക്കുക: ലാറ്റിസ് പാരാമീറ്ററുകളായ a, b, c എന്നിവയുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ വെക്റ്ററിന്റെ അഗ്രഭാഗത്തുള്ള ബിന്ദുവിന്റെ കോർഡിനേറ്റുകൾ കണ്ടെത്തുക.
3. ഏറ്റവും ചെറിയ പൂർണ്ണസംഖ്യകളിലേക്ക് ചുരുക്കുക: ഈ കോർഡിനേറ്റുകളെ സാധ്യമായ ഏറ്റവും ചെറിയ പൂർണ്ണസംഖ്യകളുടെ ഗണത്തിലേക്ക് ചുരുക്കുക.
4. സ്ക്വയർ ബ്രാക്കറ്റുകളിൽ ഉൾപ്പെടുത്തുക: പൂർണ്ണസംഖ്യകളെ സ്ക്വയർ ബ്രാക്കറ്റുകളിൽ [uvw] എഴുതുക.

ഉദാഹരണം: ഒരു ദിശാ വെക്റ്റർ ഉത്ഭവസ്ഥാനത്ത് നിന്ന് കോർഡിനേറ്റുകൾ (1a, 2b, 0c) ഉള്ള ഒരു ബിന്ദുവിലേക്ക് പോകുന്നു. ദിശ ലളിതമായി [120] ആണ്.

സാധാരണ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകൾ

14 ബ്രവെയ്സ് ലാറ്റിസുകൾ നിലവിലുണ്ടെങ്കിലും, മിക്ക സാധാരണ ലോഹ മൂലകങ്ങളും സാന്ദ്രമായി പാക്ക് ചെയ്ത മൂന്ന് ഘടനകളിലൊന്നായി ക്രിസ്റ്റലീകരിക്കപ്പെടുന്നു: ബോഡി-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (BCC), ഫേസ്-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (FCC), അല്ലെങ്കിൽ ഹെക്സഗണൽ ക്ലോസ്-പാക്ക്ഡ് (HCP).

ബോഡി-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (BCC)

• വിവരണം: ഒരു ക്യൂബിന്റെ 8 കോണുകളിലും ആറ്റങ്ങൾ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു, കൂടാതെ ഒരു ആറ്റം ക്യൂബിന്റെ കൃത്യം മധ്യഭാഗത്തായിരിക്കും.
• കോർഡിനേഷൻ നമ്പർ (CN): 8. ഓരോ ആറ്റവും 8 അയൽക്കാരുമായി നേരിട്ട് സമ്പർക്കം പുലർത്തുന്നു.
• അറ്റോമിക് പാക്കിംഗ് ഫാക്ടർ (APF): 0.68. ഇതിനർത്ഥം യൂണിറ്റ് സെല്ലിന്റെ 68% വ്യാപ്തം ആറ്റങ്ങൾ দখলിക്കുന്നു, ബാക്കിയുള്ളവ ഒഴിഞ്ഞ സ്ഥലമാണ്.
• ഉദാഹരണങ്ങൾ: ഇരുമ്പ് (റൂം താപനിലയിൽ), ക്രോമിയം, ടങ്സ്റ്റൺ, മോളിബ്ഡിനം.

ഫേസ്-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് (FCC)

• വിവരണം: ഒരു ക്യൂബിന്റെ 8 കോണുകളിലും 6 മുഖങ്ങളുടെ മധ്യഭാഗത്തും ആറ്റങ്ങൾ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു.
• കോർഡിനേഷൻ നമ്പർ (CN): 12. ഇത് ഏറ്റവും കാര്യക്ഷമമായ പാക്കിംഗ് ക്രമീകരണങ്ങളിൽ ഒന്നാണ്.
• അറ്റോമിക് പാക്കിംഗ് ഫാക്ടർ (APF): 0.74. ഒരേ വലുപ്പമുള്ള ഗോളങ്ങൾക്ക് സാധ്യമായ പരമാവധി പാക്കിംഗ് സാന്ദ്രതയാണിത്, ഈ മൂല്യം HCP ഘടനയുമായി പങ്കിടുന്നു.
• ഉദാഹരണങ്ങൾ: അലുമിനിയം, ചെമ്പ്, സ്വർണ്ണം, വെള്ളി, നിക്കൽ.

ഹെക്സഗണൽ ക്ലോസ്-പാക്ക്ഡ് (HCP)

• വിവരണം: ഒരു ഹെക്സഗണൽ യൂണിറ്റ് സെല്ലിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായ ഘടന. ഇതിൽ രണ്ട് അടുക്കിവെച്ച ഹെക്സഗണൽ തലങ്ങളും അവയ്ക്കിടയിൽ ഒരു ത്രികോണാകൃതിയിലുള്ള ആറ്റങ്ങളുടെ തലവും അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഇതിന് ABABAB... എന്ന തലങ്ങളുടെ അടുക്കൽ ക്രമമുണ്ട്.
• കോർഡിനേഷൻ നമ്പർ (CN): 12.
• അറ്റോമിക് പാക്കിംഗ് ഫാക്ടർ (APF): 0.74.
• ഉദാഹരണങ്ങൾ: സിങ്ക്, മഗ്നീഷ്യം, ടൈറ്റാനിയം, കോബാൾട്ട്.

മറ്റ് പ്രധാന ഘടനകൾ

• ഡയമണ്ട് ക്യൂബിക്: അർദ്ധചാലക വ്യവസായത്തിന്റെ ആണിക്കല്ലുകളായ സിലിക്കണിന്റെയും ജെർമേനിയത്തിന്റെയും ഘടന. ഇത് ഒരു FCC ലാറ്റിസ് പോലെയാണ്, എന്നാൽ അധികമായി രണ്ട്-ആറ്റം ബേസിസ് ഉണ്ട്, ഇത് ശക്തവും ദിശാധിഷ്ഠിതവുമായ സഹസംയോജക ബന്ധങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു.
• സിങ്ക്ബ്ലെൻഡ്: ഡയമണ്ട് ക്യൂബിക് ഘടനയ്ക്ക് സമാനമാണ്, എന്നാൽ രണ്ട് വ്യത്യസ്ത തരം ആറ്റങ്ങളുണ്ട്, ഉദാഹരണത്തിന് ഗാലിയം ആർസനൈഡിൽ (GaAs), അതിവേഗ ഇലക്ട്രോണിക്സിനും ലേസറുകൾക്കും നിർണായകമായ ഒരു പദാർത്ഥം.

പദാർത്ഥങ്ങളുടെ ഗുണങ്ങളിൽ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയുടെ സ്വാധീനം

ആറ്റങ്ങളുടെ അമൂർത്തമായ ക്രമീകരണം ഒരു പദാർത്ഥത്തിന്റെ യഥാർത്ഥ ലോകത്തിലെ പെരുമാറ്റത്തിൽ അഗാധവും നേരിട്ടുള്ളതുമായ പ്രത്യാഘാതങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കുന്നു.

മെക്കാനിക്കൽ ഗുണങ്ങൾ: ശക്തിയും ഡക്റ്റിലിറ്റിയും

ഒരു ലോഹത്തിന് പ്ലാസ്റ്റിക് രൂപഭേദം (പൊട്ടാതെ) സംഭവിക്കാനുള്ള കഴിവ് നിയന്ത്രിക്കുന്നത് സ്ലിപ്പ് സിസ്റ്റങ്ങൾ എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്ന നിർദ്ദിഷ്ട ക്രിസ്റ്റലോഗ്രാഫിക് തലങ്ങളിലെ ഡിസ്ലോക്കേഷനുകളുടെ ചലനത്തിലൂടെയാണ്.

• FCC ലോഹങ്ങൾ: ചെമ്പ്, അലുമിനിയം തുടങ്ങിയ പദാർത്ഥങ്ങൾ വളരെ ഡക്ടൈലാണ്, കാരണം അവയുടെ ക്ലോസ്-പാക്ക്ഡ് ഘടന നിരവധി സ്ലിപ്പ് സിസ്റ്റങ്ങൾ നൽകുന്നു. ഡിസ്ലോക്കേഷനുകൾക്ക് എളുപ്പത്തിൽ നീങ്ങാൻ കഴിയും, ഇത് പദാർത്ഥത്തിന് പൊട്ടുന്നതിനുമുമ്പ് വിപുലമായി രൂപഭേദം വരുത്താൻ അനുവദിക്കുന്നു.
• BCC ലോഹങ്ങൾ: ഇരുമ്പ് പോലുള്ള പദാർത്ഥങ്ങൾ താപനിലയെ ആശ്രയിച്ചുള്ള ഡക്റ്റിലിറ്റി പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയിൽ അവ ഡക്ടൈലാണ്, എന്നാൽ താഴ്ന്ന താപനിലയിൽ അവ പൊട്ടുന്നതായി മാറും.
• HCP ലോഹങ്ങൾ: മഗ്നീഷ്യം പോലുള്ള പദാർത്ഥങ്ങൾ റൂം താപനിലയിൽ പലപ്പോഴും കുറഞ്ഞ ഡക്റ്റൈലും കൂടുതൽ പൊട്ടുന്നതുമാണ്, കാരണം അവയ്ക്ക് ലഭ്യമായ സ്ലിപ്പ് സിസ്റ്റങ്ങൾ കുറവാണ്.

വൈദ്യുത ഗുണങ്ങൾ: ചാലകങ്ങൾ, അർദ്ധചാലകങ്ങൾ, ഇൻസുലേറ്ററുകൾ

ഒരു ക്രിസ്റ്റലിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ ആവർത്തന ക്രമീകരണം ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് അനുവദനീയവും നിരോധിതവുമായ ഊർജ്ജ നിലകളുടെ രൂപീകരണത്തിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, ഇവയെ എനർജി ബാൻഡുകൾ എന്ന് അറിയപ്പെടുന്നു. ഈ ബാൻഡുകളുടെ അകലവും പൂരിപ്പിക്കലുമാണ് വൈദ്യുത സ്വഭാവം നിർണ്ണയിക്കുന്നത്.

• ചാലകങ്ങൾ: ഭാഗികമായി നിറഞ്ഞ എനർജി ബാൻഡുകളുണ്ട്, ഇത് ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിന് കീഴിൽ ഇലക്ട്രോണുകളെ സ്വതന്ത്രമായി നീങ്ങാൻ അനുവദിക്കുന്നു.
• ഇൻസുലേറ്ററുകൾ: നിറഞ്ഞ വാലൻസ് ബാൻഡിനും ശൂന്യമായ കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിനും ഇടയിൽ ഒരു വലിയ ഊർജ്ജ വിടവ് (ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ്) ഉണ്ട്, ഇത് ഇലക്ട്രോൺ പ്രവാഹത്തെ തടയുന്നു.
• അർദ്ധചാലകങ്ങൾ: ഒരു ചെറിയ ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട്. കേവല പൂജ്യത്തിൽ, അവ ഇൻസുലേറ്ററുകളാണ്, എന്നാൽ റൂം താപനിലയിൽ, താപ ഊർജ്ജത്തിന് ചില ഇലക്ട്രോണുകളെ വിടവിലൂടെ ഉത്തേജിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് പരിമിതമായ ചാലകത അനുവദിക്കുന്നു. മാലിന്യങ്ങൾ ചേർത്ത് (ഡോപ്പിംഗ്) അവയുടെ ചാലകത കൃത്യമായി നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും, ഈ പ്രക്രിയ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന മനസ്സിലാക്കുന്നതിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

താപ, പ്രകാശ ഗുണങ്ങൾ

ക്രിസ്റ്റൽ ലാറ്റിസിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ കൂട്ടായ കമ്പനങ്ങളെ ക്വാണ്ടൈസ് ചെയ്തിരിക്കുന്നു, അവയെ ഫോണോണുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഈ ഫോണോണുകളാണ് പല ഇൻസുലേറ്ററുകളിലും അർദ്ധചാലകങ്ങളിലും താപത്തിന്റെ പ്രാഥമിക വാഹകർ. താപചാലകക്ഷമത ക്രിസ്റ്റലിന്റെ ഘടനയെയും ബന്ധത്തെയും ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. അതുപോലെ, ഒരു പദാർത്ഥം പ്രകാശവുമായി എങ്ങനെ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു—അത് സുതാര്യമോ, അതാര്യമോ, അല്ലെങ്കിൽ നിറമുള്ളതോ ആകട്ടെ—അതിന്റെ ഇലക്ട്രോണിക് ബാൻഡ് ഘടനയാൽ നിർണ്ണയിക്കപ്പെടുന്നു, ഇത് അതിന്റെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയുടെ നേരിട്ടുള്ള അനന്തരഫലമാണ്.

യഥാർത്ഥ ലോകം: ക്രിസ്റ്റൽ അപൂർണ്ണതകളും വൈകല്യങ്ങളും

ഇതുവരെ, നമ്മൾ തികഞ്ഞ ക്രിസ്റ്റലുകളെക്കുറിച്ചാണ് ചർച്ച ചെയ്തത്. വാസ്തവത്തിൽ, ഒരു ക്രിസ്റ്റലും തികഞ്ഞതല്ല. അവയിലെല്ലാം വിവിധതരം വൈകല്യങ്ങളോ അപൂർണ്ണതകളോ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. അഭികാമ്യമല്ലാത്തതിൽ നിന്ന് വളരെ വ്യത്യസ്തമായി, ഈ വൈകല്യങ്ങളാണ് പലപ്പോഴും പദാർത്ഥങ്ങളെ ഇത്രയധികം ഉപയോഗപ്രദമാക്കുന്നത്!

വൈകല്യങ്ങളെ അവയുടെ ഡൈമെൻഷനാലിറ്റി അനുസരിച്ച് തരംതിരിക്കുന്നു:

• പോയിന്റ് വൈകല്യങ്ങൾ (0D): ഇവ ഒരൊറ്റ ആറ്റോമിക് സൈറ്റിൽ ഒതുങ്ങിനിൽക്കുന്ന തടസ്സങ്ങളാണ്. ഉദാഹരണങ്ങളിൽ ഒരു വേക്കൻസി (നഷ്ടപ്പെട്ട ആറ്റം), ഒരു ഇന്റർസ്റ്റീഷ്യൽ ആറ്റം (അതിന് ചേരാത്ത ഒരു സ്ഥലത്ത് ഞെരുക്കപ്പെട്ട അധിക ആറ്റം), അല്ലെങ്കിൽ ഒരു സബ്സ്റ്റിറ്റിയൂഷണൽ ആറ്റം (ഒരു ഹോസ്റ്റ് ആറ്റത്തിന് പകരം ഒരു വിദേശ ആറ്റം) എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. ഒരു സിലിക്കൺ ക്രിസ്റ്റലിനെ ഫോസ്ഫറസ് ഉപയോഗിച്ച് ഡോപ്പ് ചെയ്യുന്നത് ഒരു എൻ-ടൈപ്പ് അർദ്ധചാലകമാക്കുന്നതിന് സബ്സ്റ്റിറ്റിയൂഷണൽ പോയിന്റ് വൈകല്യങ്ങൾ മനഃപൂർവ്വം സൃഷ്ടിക്കുന്നതാണ്.
• ലൈൻ വൈകല്യങ്ങൾ (1D): ഡിസ്ലോക്കേഷനുകൾ എന്ന് അറിയപ്പെടുന്നു, ഇവ ആറ്റോമിക് തെറ്റായ ക്രമീകരണത്തിന്റെ രേഖകളാണ്. ലോഹങ്ങളുടെ പ്ലാസ്റ്റിക് രൂപഭേദത്തിന് ഇവ തികച്ചും നിർണ്ണായകമാണ്. ഡിസ്ലോക്കേഷനുകൾ ഇല്ലെങ്കിൽ, ലോഹങ്ങൾ അവിശ്വസനീയമാംവിധം ശക്തവും എന്നാൽ മിക്ക ഉപയോഗങ്ങൾക്കും വളരെ പൊട്ടുന്നതുമായിരിക്കും. വർക്ക് ഹാർഡനിംഗ് പ്രക്രിയ (ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു പേപ്പർക്ലിപ്പ് അങ്ങോട്ടും ഇങ്ങോട്ടും വളയ്ക്കുന്നത്) ഡിസ്ലോക്കേഷനുകൾ സൃഷ്ടിക്കുകയും കുരുക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് പദാർത്ഥത്തെ ശക്തമാക്കുകയും എന്നാൽ കുറഞ്ഞ ഡക്റ്റൈൽ ആക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.
• പ്ലാനാർ വൈകല്യങ്ങൾ (2D): ഇവ വ്യത്യസ്ത ക്രിസ്റ്റൽ ഓറിയന്റേഷനുകളുടെ പ്രദേശങ്ങളെ വേർതിരിക്കുന്ന ഇന്റർഫേസുകളാണ്. ഏറ്റവും സാധാരണമായവ ഗ്രെയിൻ ബൗണ്ടറികളാണ്, ഒരു പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ പദാർത്ഥത്തിലെ വ്യക്തിഗത ക്രിസ്റ്റൽ ഗ്രെയിനുകൾക്കിടയിലുള്ള ഇന്റർഫേസുകൾ. ഗ്രെയിൻ ബൗണ്ടറികൾ ഡിസ്ലോക്കേഷൻ ചലനത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു, അതുകൊണ്ടാണ് ചെറിയ ഗ്രെയിനുകളുള്ള പദാർത്ഥങ്ങൾ സാധാരണയായി ശക്തമാകുന്നത് (ഹാൾ-പെച്ച് പ്രഭാവം).
• വോളിയം വൈകല്യങ്ങൾ (3D): ഇവ വോയിഡുകൾ (വേക്കൻസികളുടെ കൂട്ടങ്ങൾ), വിള്ളലുകൾ, അല്ലെങ്കിൽ പ്രസിപ്പിറ്റേറ്റുകൾ (ഹോസ്റ്റ് പദാർത്ഥത്തിനുള്ളിലെ മറ്റൊരു ഘട്ടത്തിന്റെ കൂട്ടങ്ങൾ) പോലുള്ള വലിയ തോതിലുള്ള കുറവുകളാണ്. എയ്‌റോസ്‌പേസിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന അലുമിനിയം പോലുള്ള അലോയ്കളെ ശക്തിപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള ഒരു പ്രധാന സാങ്കേതികതയാണ് പ്രസിപ്പിറ്റേഷൻ ഹാർഡനിംഗ്.

നമ്മൾ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകളെ എങ്ങനെ "കാണുന്നു": പരീക്ഷണാത്മക സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ

സാധാരണ മൈക്രോസ്കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ച് നമുക്ക് ആറ്റങ്ങളെ കാണാൻ കഴിയാത്തതിനാൽ, ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകളെ പരിശോധിക്കാൻ ശാസ്ത്രജ്ഞർ കണങ്ങളുടെയോ വൈദ്യുതകാന്തിക വികിരണത്തിന്റെയോ തരംഗ സ്വഭാവം പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്ന സങ്കീർണ്ണമായ സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

എക്സ്-റേ ഡിഫ്രാക്ഷൻ (XRD)

ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന നിർണ്ണയിക്കുന്നതിനുള്ള ഏറ്റവും സാധാരണവും ശക്തവുമായ ഉപകരണമാണ് XRD. ഒരു ക്രിസ്റ്റലിൽ എക്സ്-റേകളുടെ ഒരു ബീം പതിക്കുമ്പോൾ, ക്രമമായി വിന്യസിച്ചിരിക്കുന്ന ആറ്റോമിക് തലങ്ങൾ ഒരു ഡിഫ്രാക്ഷൻ ഗ്രേറ്റിംഗായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു. അടുത്തടുത്തുള്ള തലങ്ങളിൽ നിന്ന് ചിതറുന്ന എക്സ്-റേകൾക്കിടയിലുള്ള പാത വ്യത്യാസം തരംഗദൈർഘ്യത്തിന്റെ ഒരു പൂർണ്ണസംഖ്യാ ഗുണിതമാകുമ്പോൾ മാത്രമേ കൺസ്ട്രക്റ്റീവ് ഇന്റർഫിയറൻസ് സംഭവിക്കുകയുള്ളൂ. ഈ അവസ്ഥയെ ബ്രാഗ് നിയമം വിവരിക്കുന്നു:

nλ = 2d sin(θ)

ഇവിടെ 'n' ഒരു പൂർണ്ണസംഖ്യയാണ്, 'λ' എക്സ്-റേ തരംഗദൈർഘ്യമാണ്, 'd' ആറ്റോമിക് തലങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള അകലമാണ്, 'θ' ചിതറൽ കോണാണ്. ശക്തമായ ഡിഫ്രാക്റ്റഡ് ബീമുകൾ പുറത്തുവരുന്ന കോണുകൾ അളക്കുന്നതിലൂടെ, നമുക്ക് 'd' അകലങ്ങൾ കണക്കാക്കാനും, അതിൽ നിന്ന്, ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന, ലാറ്റിസ് പാരാമീറ്ററുകൾ, ഓറിയന്റേഷൻ എന്നിവ അനുമാനിക്കാനും കഴിയും.

മറ്റ് പ്രധാന സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ

• ന്യൂട്രോൺ ഡിഫ്രാക്ഷൻ: XRD-ക്ക് സമാനം, എന്നാൽ എക്സ്-റേകൾക്ക് പകരം ന്യൂട്രോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ലഘുവായ മൂലകങ്ങളെ (ഹൈഡ്രജൻ പോലുള്ളവ) കണ്ടെത്താനും, സമാന എണ്ണം ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള മൂലകങ്ങളെ വേർതിരിച്ചറിയാനും, കാന്തിക ഘടനകളെ പഠിക്കാനും ഇത് പ്രത്യേകിച്ചും ഉപയോഗപ്രദമാണ്.
• ഇലക്ട്രോൺ ഡിഫ്രാക്ഷൻ: സാധാരണയായി ഒരു ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിൽ (TEM) നടത്തുന്നു, ഈ സാങ്കേതിക വിദ്യ വളരെ ചെറിയ വ്യാപ്തങ്ങളിലെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന പഠിക്കാൻ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഒരു ബീം ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഇത് വ്യക്തിഗത ഗ്രെയിനുകളുടെയോ വൈകല്യങ്ങളുടെയോ നാനോസ്കെയിൽ വിശകലനത്തിന് അനുവദിക്കുന്നു.

ഉപസംഹാരം: ആധുനിക പദാർത്ഥങ്ങളുടെ അടിത്തറ

ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയുടെ പഠനം മെറ്റീരിയൽ സയൻസിന്റെയും കണ്ടൻസ്ഡ് മാറ്റർ ഫിസിക്സിന്റെയും അടിത്തറയാണ്. ഇത് ഉപ-ആറ്റോമിക് ലോകത്തെ നമ്മൾ ആശ്രയിക്കുന്ന മാക്രോസ്കോപ്പിക് ഗുണങ്ങളുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന ഒരു റോഡ്മാപ്പ് നൽകുന്നു. നമ്മുടെ കെട്ടിടങ്ങളുടെ ശക്തി മുതൽ നമ്മുടെ ഇലക്ട്രോണിക്സിന്റെ വേഗത വരെ, ആധുനിക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പ്രകടനം ആറ്റങ്ങളുടെ ചിട്ടയായ ക്രമീകരണം മനസ്സിലാക്കാനും പ്രവചിക്കാനും കൈകാര്യം ചെയ്യാനുമുള്ള നമ്മുടെ കഴിവിന്റെ നേരിട്ടുള്ള തെളിവാണ്.

ലാറ്റിസുകളുടെയും യൂണിറ്റ് സെല്ലുകളുടെയും മില്ലർ സൂചികകളുടെയും ഭാഷയിൽ പ്രാവീണ്യം നേടുന്നതിലൂടെയും ക്രിസ്റ്റൽ വൈകല്യങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കാനും രൂപകൽപ്പന ചെയ്യാനും പഠിക്കുന്നതിലൂടെയും, ഭാവിയുടെ വെല്ലുവിളികളെ നേരിടാൻ അനുയോജ്യമായ ഗുണങ്ങളുള്ള പുതിയ പദാർത്ഥങ്ങൾ രൂപകൽപ്പന ചെയ്തുകൊണ്ട് നമ്മൾ സാധ്യമായതിന്റെ അതിരുകൾ നീട്ടിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു. അടുത്ത തവണ നിങ്ങൾ ഒരു സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ, അതിനുള്ളിൽ സ്ഥിതിചെയ്യുന്ന നിശബ്ദവും മനോഹരവും ശക്തവുമായ ക്രമത്തെ അഭിനന്ദിക്കാൻ ഒരു നിമിഷം എടുക്കുക.