التركيب البلوري

هل تساءلت يوما عن الطريقة التي يميز بها العلماء المواد البلورية عن بعضها؟ كما تعلم لكل شخص بصمة تميزه عن الآخرين، والأمر ذاته ينطبق على المادة، فلكل منها تركيب بلوري يميزها عن غيرها من المواد.

كان اكتشاف حيود الأشعة السينية بواسطة البلورات بمثابة البداية لفيزياء الحالة الصلبة. إذ أن المواد الصلبة البلورية هي المواد التي تتميز بترتيب ذري متشابة و دوري، وقد تكون البلورة إما أحادية أو متعددة التبلور.

ببساطة، يتكون التركيب البلوري من مكونين أساسيين:

‏الأول: الشبيكة البلورية.

‏الثاني: أساس المادة (ذرة أو مجموعة من الذرات).

ويمكن تعريف الشبيكة البلورية على أنها مجموعة من النقاط المرتبة بشكل دوري ومنتظم في الفضاء بحيث أن المسافة ما بين النقاط متساوية. يمكن للشبيكة أن تكون في بعد واحد، بعدين أو ثلاث أبعاد.

الجدير بالذكر أن أصغر مكون للشبيكة يسمى وحدة البناء أو خلية الوحدة. وهي أبسط وحدة مكررة في التركيب البلوري و تكرارها ينشئ لنا الشبيكة البلورية.

من أشهر وحدات البناء الثلاثية الأبعاد:

‏1- المكعب البسيط.

‏2- المكعب متمركز الجسم.

‏3- المكعب متمركز الوجه.

‏المكعب البسيط يتكون من 8 نقاط على الزوايا، مما يعني ذرة لكل وحدة خلية (ثمن خلية في كل زاوية).

المكعب متمركز الجسم يتكون من 9 نقاط -نقطة في المركز إضافة لنقاط الزوايا الثمانية-، أي ذرتين لكل وحدة خلية.

‏المكعب متمركز الوجه يتكون من 14 نقطة، إذ تتمركز نقطة على كل وجه، أي أربع ذرات لكل وحدة خلية.

يمكننا دراسة التركيب البلوري عن طريق تسليط الأشعة السينية على البلورة الأمر الذي سيتسبب في حيودها نتيجة لاصطدامها بإلكترونات الذرات المكونة للبلورة. حسابيًا نستعين بقانون براغ الذي يربط بين الطول الموجي الساقط والمسافة بين المستويين واصفًا لنا مواقع الذرات.

يساعدنا براغ في دراسة التركيب البلوري لفهم خصائص البلورة وتغيير الخواص المختلفة مثل التوصيل الحراري. وتركز الأبحاث في السنوات الأخيرة على التنبؤ بالهيكل البلوري للمادة كي يتم الاستفادة منها في مجالات تطبيقية مختلفة.

يمكننا التنبؤ بالعديد من الخصائص بشكل مؤكد بمجرد معرفة التركيب البلوري للمواد الصلبة، ويتم ذلك من خلال استخراج الهياكل من قواعد بيانات الهياكل الموجودة مسبقًا في المواد المماثلة. الأمر الذي يسهم في تسريع اكتشاف مواد جديدة.

اليوم، أصبح بإمكان العلماء أن يتنبؤوا بالهيكل البلوري عند درجة حرارة صفر كلفن باستخدام الطرق الميكانيكية الكمومية نظير التقدم الكبير في القدرة الحاسوبية ونظرية المواد.

---

المراجع:

• Kittel, C. (2021). Introduction to solid state physics Eighth edition.

• Tilley, R. J. (2020). Crystals and crystal structures. John Wiley & Sons.‏