نقص بلوری چیست؟

نظم ساختار مواد، تنها در قسمت هایی مستقل و کوچک مشاهده می شود که به صورت کاملا نا منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند و تود‌‌‌‌ه ماده را شکل می دهند.
پس از این مقدمه مختصرـ که مروری بر بحث ریزساختار و اهمیت آن در تعیین خواص مواد بود ـ این پرسش جدی مطرح می شود که آیا نظم اتم ها و یون ها در هر دانه ـ که بر اساس ساختار ماده شکل می گیردـ نظمی کامل و بدون نقص است یا این که ممکن است در هر کدام از این دانه ها نیز کاستی هایی وجود داشته باشد؟!
در پاسخ باید گفت که: بله! در شبکه بلوری این دانه ها هم نقص هایی دیده می شود!
شاید بخواهید بدانید که نقص بلوری چیست؟
نقص بلوری عبارتست از بی نظمی اتم ها و یون ها در شبکه بلوری مواد. این بی نظمی به صورت فقدان اتم ها و یون ها در محل و موقعیت خود و یا به صورت قرار گرفتن اتم ها و یون ها در مکانی غیر از جایگاه اصلی خود، دیده می شود.
به عبارت ساده تر گاهی اتم ها و یون ها در جایی که باید باشند، نیستند و در جایی که نباید باشند دیده می شوند.
حال ممکن است این سوال مطرح شود که: مگر ادعا نکردیم در هر دانه یک شبکه بلوری منظم وجود دارد. پس با توجه به اینکه نقص های بلوری از نوعی بی نظمی در شبکه بلوری حکایت می کنند، رابط‌‌‌‌ه نظم موجود در هر دانه با بی نظمی حاصل از نقص های بلوری چگونه خواهد بود؟ آیا بی نظمی ناشی از نقص بلوری نظم شبکه بلوری دانه را برهم نمی زند؟
در پاسخ به پرسش فوق این نکته را باید دانست که نظم موجود در یک دانه نظمی کلی است که تمامی وسعت آن را در بر می گیرد، در حالی که بی نظمی های حاصل از نقص های بلوری، جزئی است و در یک محدود‌‌‌‌ه کوچک نظم را از بین می برد. بنابراین در یک دانه یک نظم کلی وجود دارد که به موجب عیوب و نقص های بلوری، بی نظمی هایی در برخی از نقاط آن ایجاد شده است. پس این بی نظمی های جزئی نمی تواند ناقض نظم کلی یک دانه شود.
اکنون با توجه به آشنایی مختصری که با ساده ترین نقص شبکه بلوری یعنی نقص جای خالی پیدا کرده اید ممکن است از خود بپرسید که منشاء پیدایش این کاستی ها چیست؟
دو شاخه از علم به بررسی امکان و عوامل ایجاد کنند‌‌‌‌ه این نقص ها می پردازد که به اختصار آنها را معرفی می کنیم:
▪ شاخه اول «علم ترمودینامیک» است که با تحلیل مقتضیات ترمودینامیکی شبکه های بلوری به امکان یا عدم امکان ایجاد چنین نقص هایی در آن ها می پردازد.
علم ترمودینامیک با بررسی فیزیک اتم ها و یون ها در شبکه های بلوری، به ما می گوید که شبکه های بلوری به صورت ذاتی مایل به داشتن این کاستی ها در ساختار خود هستند یا نه؛ زیرا با ایجاد نواقص، انرژی شبکه بلوری کاهش و پایداری آن افزایش می یابد. این تفسیر به ما می گوید که نقص ها به طور طبیعی در مواد وجود خواهند داشت.
▪ شاخه دوم، «علم کینتیک» است.
علم کینتیک شرایط مورد نیاز برای به وجود آمدن چنین نقص هایی را بررسی می کند. درست است که علم ترمودینامیک امکان اتفاق افتادن این نواقص را مشخص می سازد، اما مسلما برای ایجاد آنها شرایط ویژه ای لازم است که باید تامین گردد. علم کینتیک به ما می گوید که با ایجاد چه تغییراتی در شرایط می توانیم امکان ایجاد این کاستی ها را تقویت کرده و یا آن را تضعیف کنیم. علم کینتیک با بررسی فرآیندِ تشکیلِ نواقص، به شناسایی عوامل تاثیرگذار و میزان اثرگذاری آنها می پردازد.
این علم دو عامل را به عنوان عوامل اصلی موثر در ایجاد کاستی ها معرفی می کند که عبارتند از: «دما» و «زمان».
با افزایش دما امکان ایجاد نواقص در شبکه بلوری افزایش می یابد ،بنابراین در دماهای پایین تر شاهد نقص های کمتری در شبکه بلوری مواد خواهیم بود.
برای توصیف اثر زمان لازم است کمی بیشتر با فرآیند تشکیل بلور آشنا شویم. در فرآیندهای سنتی ساخت مواد ـ که به فرآیندهای «ساختن بالا به پایین» شهرت دارد ـ عموما تشکیل بلور بر پایه فرآیند انجماد صورت می گیرد، به صورتی که ماده در حالت مایع، ـ که فاقد نظم بلوری است ـ سرد می شود. با ادامه سرد شدن و نزدیک شدن به دمای انجماد، اتم ها و یون ها در کنار یکدیگر قرار گرفته و یک شبکه بلوری منظم را شکل می دهند. در دماهای بالاتر از نقطه انجماد اتم ها و یون ها امکان حرکت و جابجایی دارند، هر چقدر به نقط‌‌‌‌ه انجماد نزدیک تر شویم از این تحرک کاسته می شود. زمانی که دما از نقط‌‌‌‌ه انجماد می گذرد و کمتر از آن می شود، اتم ها و یون ها تحرک لازم برای جابجایی را از دست داده و بنابراین در محل خود ثابت می شوند.
با توصیف بالا از فرآیند انجماد و تشکیل شبکه منظم بلوری دیدیم که تنها زمان ممکن برای تشکیل بلور زمانی است که دما از حدود بالایی نقطه انجماد به زیر نقطه انجماد می رسد. در این زمان اتم ها و یون ها می بایست از محل خود جابجا شده و به شکلی منظم در کنار یکدیگر قرار بگیرند. بدیهی است که این جابجایی به یک حداقل زمانی نیاز دارد وگرنه اتم ها و یون ها فرصت قرار گرفتن در جای مناسب خود را نمی یابند و تمامی محل های لازم برای کامل شدن شبکه بلوری را پر کنند. بنابراین کوتاه شدن زمان انجماد می تواند به نقص شبکه بلوری و طولانی شدن آن می تواند به شکل گیری کامل تر شبکه بلوری کمک نماید.
اما به راستی چه چیزی این زمان را کنترل می کند؟
همانطور که پیش تر گفتیم این زمان چیزی بجز فاصله تغییر دما از دمای بالای نقط‌‌‌‌ه انجماد به دمایی پایین تر از این نقطه نیست. بنابراین عاملی که این زمان را کوتاه و یا طولانی می کند «سرعت تغییر دما» است یعنی اینکه اگر ما ماده را از حالت مایع به آهستگی سرد کنیم زمان بیشتری طول خواهد کشید تا به دمای پایینتر از نقطه انجماد برسیم، بنابراین اتم ها و یون ها این فرصت را خواهند یافت که در محل مناسب خود قرار بگیرند و تمامی موقعیت های لازم را پر کنند. بر عکس اگر مایع را به سرعت سرد کنیم دما سریعا به دمای زیر نقط‌‌‌‌ه انجماد خواهد رسید و در نتیجه اتم ها و یون ها تحرک خود را فورا از دست خواهند داد و فرصت کافی برای جا به جا شدن و نشستن در محل های مناسب را نخواهند داشت ؛ بدیهی است که این کار موجب ایجاد نقص بیشتر در شبکه بلوری خواهد شد.
آیا انجماد سریع تنها دلیل ایجاد و تقویت نقص بلوری است و یا اینکه عوامل دیگری نیز می توانند منجر به ایجاد آن شوند؟
پیش از پاسخ به این پرسش باید به این نکته دقت کرد که نواقص بلوری از نظر زمان ایجاد به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
دسته اول اشکالاتی است که در زمان ایجاد بلور یعنی در زمان انجماد شکل می گیرد و دسته دوم پس از تشکیل بلور یعنی پس از زمان انجماد در شبکه بلوری به وجود می آید. این نواقص می تواند ساعت ها و یا سال ها بعد از انجماد و تشکیل بلور در شبکه بلوری ایجاد شود.
دسته نخست که نواقص زمان انجماد می باشند عمدتا از طریق انجماد سریع و یکنواخت نبودن مایع در حال انجماد حاصل می شوند البته عوامل دیگری نیز در ایجاد کاستی های ناشی از زمان انجماد موثر هستند اما عامل اصلی همان کاهش سریع دما است.
در بررسی دسته دوم یعنی نواقص پس از انجماد لازم است کمی به فرآیند ایجاد نقص در شبکه بلوری فکر کنیم.
فرض کنید که می خواهیم یک نقص جای خالی در شبکه بلوری ایجاد کنیم، برای این کار لازم است که یک اتم یا یون را از محل خود خارج نماییم؛ از طرفی می دانیم که دلیل حرکت آزادانه اتم ها و یون ها در حالت مایع، وجود انرژی جنبشی زیاد (به دلیل دمای بالاتر) در آنها می باشد، همچنین می دانیم که اتم ها و یون ها حتی در حالت جامد نیز دارای حرکت هستند. (البته این حرکات عموما به صورت ارتعاش در محل خود و گاهی به شکل جابجایی های محدود است که با آزادی حرکت اتم ها و یون ها در حالت مایع قابل مقایسه نیست.) اما این حرکت برای کنده شدن یک اتم یا یون کافی نیست؛ پس می توان گفت برای این کار کافی است که انرژی لازم برای حرکت ذره مورد نظر را فراهم کنیم. با فراهم شدن انرژی لازم، اتم ها و یون های گیرند‌‌‌‌ه انرژی امکان خارج شدن از محل خود را خواهند داشت.
با توجه به توضیحات فوق در می یابیم که نواقص پس از انجماد از طریق قرار گرفتن شبکه بلوری در معرض انرژی کافی به وجود می آید. این انرژی می تواند از طریق گرم شدن، کار مکانیکی (مانند کشیدن، فشردن، خم کردن و ... )، قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطیس (نور، اشعه ماوراء بنفش، پرتوهای ایکس، اشعه گاما و ... ) و پرتوهای پر انرژی (الکترونی، نوترونی و ...) تامین گردد.
یکی از کاستی هایی که در شبکه های بلوری فراوان دیده می شود، نقص «بین نشینی» است. این نقص حاصل قرار گرفتن یک اتم یا یون در محلی خارج از محل خود، در میان دیگر اتم ها و یون ها می باشد.
یکی از صور این عیب، بین نشینی خود اتم ها و یون های متعلق به شبکه در فضای موجود بین اتم ها و یون های دیگر آن می باشد بدیهی است که شرط ایجاد این عیب سازگاری اندازۀ یون بین نشین، با فضاهای خالی موجود میان یون های شبکه بلوری است؛ زیرا یون بین نشین باید بتواند خود را در فضاهای موجود بین دیگر یون ها جا کند.
نوع دیگر نقص بین نشینی، قرارگرفتن یک یون خارجی در فضای میان یون هاست. بدیهی است که سازگاری اندازۀ یون بین نشین با فضای خالی موجود در میان یون های شبکه بلوری، در این نوع از بین نشینی هم ضروری است. شبکه بلوری امکان تغییر شکل جزئی برای پذیرفتن یون بین نشین را دارد که میزان آن به اندازۀ یون بین نشین بستگی دارد، این تغییر شکل جزئی ساختار شبکه بلوری که «اعوجاج شبکه» خوانده می شود می تواند به صورت کشیدگی ـ در برابر یون های بزرگتر از فضای خالی موجودـ و یا جمع شدگی در برابر یون های کوچکتر از فضای موجود خود را نشان دهد.
حضور یون های خارجی در شبکه همیشه به صورت بین نشینی نیست؛ گاهی هم این یون ها به جای یون های خود شبکه می نشینند. این عمل «نقص جانشینی» را در شبکه بلوری ایجاد می کند.
یون جانشین شده می تواند کاتیون یا آنیون باشد که در حالت اول نقص حاصل «جانشینی کاتیونی» و در حالت دوم «جانشینی آنیونی» خواهد بود.
در حالت بین نشینی، یون خارجی در جای یون اصلی شبکه قرار نگرفته است بلکه در فضاهای خالی موجود در شبکه جای دارد ، در حالی که در نقص جانشینی یون خارجی درست در محل یکی از یون های اصلی شبکه قرار گرفته و به جای آن نشسته است.
نواقص جانشینی نیز مانند نواقص بین نشینی، موجب اعوجاج در شبکه بلوری خواهند شد، بدیهی است که در اینجا هم میزان اعوجاج متناسب با اختلاف اندازۀ یون خارجی واردشده در شبکه و یون اصلی شبکه می باشد. بنابراین این نوع نقص نیز می تواند سبب کشیدگی و یا جمع شدگی شبکه بلوری در اطراف محل دچار نقص شود.
حال که با انواع بیشتری از کاستی های شبکه بلوری آشنا شدیم لازم است که به یک پرسش جدی بیاندیشیم:
آیا نقص های شبکه بلوری که آن را عیوب شبکه بلوری نیز می نامیم واقعاً بد هستند؟ آیا این نواقص بر خواص ماده اثر منفی می گذارند؟ یا اینکه حتی ممکن است موجب بهبود برخی از خواص مواد نیز بشوند؟!

حامد لهراسبی

منبع : باشگاه دانش‌آموزی نانو