عیوب بلوری، بهبود یا تخریب مواد؟

براي پاسخ به پرسش هاي بالا لازم است به بررسي دقيق تر مواد بپردازيم و عوامل شکل‌دهندة خواص را مرور کنيم. مي دانيم که مواد سه حالت اصلي دارند: گاز، مايع و جامد. همچنين مي دانيم که خصوصيات کلي و ويژگي هاي عمومي مواد مربوط به حالتي است که ماده در آن قرار دارد. در حالت گازي، فاصلة مولکول‌ها زياد و تأثير مولکول‌ها بر يکديگر ناچيز و در نتيجه حرکت مولکول‌ها آزادانه و بدون قيد است. در حالت مايع، فاصلة مولکول‌ها کمتر، تأثير آنها بر يکديگر بيشتر و در نتيجه ماده به داشتن حجم ثابت مقيد مي‌شود، اما امکان تغيير شکل را از دست نمي‌دهد. در حالت جامد، امکان حرکت مولکول‌ها آن‌قدر محدود مي‌شود که تودة ماده نمي‌تواند حتي شکل کلي خود را تغيير دهد. شکل 1 مدلي مقايسه‌اي از حالت‌هاي سه‌گانة بالا را نشان مي‌دهد.

شکل 1 ـ مقايسة ميزان آزادي و حرکت مولکول‌ها در حالت‌هاي مختلف ماده

اين تفاوت‌ها ناشي از حالتي است که ماده در آن قرار دارد و مي‌تواند بسياري از خواص آن را تحت تأثير خود قرار دهد. مثلاً اگر ماده در حالت گازي قرار داشته باشد، مولکول‌ها به علت فاصلة زيادي که از هم دارند، مي‌توانند بدون تأثير پذيرفتن از مولکول‌هاي مجاور، به صورت مستقل حضور داشته باشند. بنابراين، در اين وضعيت ماده حالت مولکولي خواهد داشت و از حضور يون ها در آن خبري نخواهد بود، زيرا يون‌ها همان مولکول‌هايي هستند که در اثر برهمکنش با مولکول‌هاي مجاور، الکترون‌هاي خود را از دست داده‌اند يا الکترون‌هاي اتم‌هاي مجاورشان را گرفته‌اند. يعني وقتي مولکول نزديکي وجود ندارد، احتمال وجود برهمکنش هم نخواهد بود و احتمال تشکيل يون هم منتفي مي‌شود. بنابراين، ماده در حالت گازي خصوصيت رسانايي الکتريکي ندارد، زيرا الکترون هاي آزاد و يون ها که تنها حامل هاي جريان الکتريکي هستند، در اين حالت از ماده وجود ندارند. از طرف ديگر، در حالت گازي انتظار مي‌رود ماده رساناي گرما باشد، زيرا شرط رسانايي گرمايي، حرکت ذرات ماده است که در اين حالت به علت مقيد نبودن ذرات در حالت گازي به وجود مي‌آيد. اين‌گونه پيش بيني خواص را که بر اساس حالات ماده صورت مي گيرد، در مورد حالت مايع و جامد هم مي‌توان انجام داد و بسياري از خصوصيات کلي و رفتار عمومي مواد را دسته بندي کرد.
نکتة جالب در اين دسته بندي آن است که اثر ترکيب شيميايي مواد مورد توجه قرار نگرفته‌اند، گويي حالت ماده به‌تنهايي بسياري از خصوصيات کلي آن را مشخص مي کند و اين خصوصيات مستقل از ترکيب شيميايي آن است. حال که ترکيب شيميايي ماده تأثير چشمگيري در تعيين خواص کلي مواد ندارد و حالت ماده به‌تنهايي گوياي خواص کلي ماده است، اين سؤال مطرح مي‌شود که در انواع مواد چه چيزي موجب شباهت خواص کلي يک حالت از ماده مي شود و چه چيزي خواص ماده را در حالات مختلف، متفاوت مي کند؟
پاسخ اين پرسش بسيار ساده است. آنچه موجب شباهت خواص کلي همة مواد در يک حالت خاص مانند حالت گازي مي شود، وضعيت ذرات نسبت به هم است. اين وضعيت «ميزان تحرك پذيري» ذرات در هر حالت را تعيين مي کند. مواد در حالت گازي تحرک نامحدود دارند. بنابراين، اين حالت از ماده، مستقل از نوع ماده، داراي همة خصوصياتي است که از تحرک پذير بودن ناشي مي شوند. بنابراين، وضعيت قرار گرفتن ذرات ماده در کنار هم، مي تواند خواصي را ايجاب يا برخي از ويژگي ها را از ماده سلب کند. وجود عيوب بلوري نيز، نه دقيقاً همانند حالت هاي ماده، بلکه به شکلي جزئي تر، به وضعيت قرار گرفتن ذرات ماده در کنار هم شکلي خاص مي بخشد و از اين طريق رفتار ماده را به سمتي که متناسب با وضعيت قرار گرفتن ذرات است مي کشاند و موجب مي شود تا ماده ويژگي هاي ديگري را که بعضاً متفاوت از ويژگي هاي قبلي است از خود نشان دهد. بديهي است که اين تفاوت لزوماً به معني تخريب خواص ماده نيست. همچنين نمي توان آن را هميشه موجب بهبود خواص دانست. همان‌طور که نمي توان تغيير حالت يک ماده از حالت گاز به مايع را ــ که لزوماً موجب بهبود يا تخريب همة خواص نمي شود ــ يک تغيير مثبت يا منفي دانست، وجود عيوب بلوري را نيز نمي توان عامل تخريب يا بهبود همة خواص ماده به حساب آورد. زيرا همان‌گونه که تغيير حالت ماده برخي از خواص ماده را بهبود مي بخشد و برخي را تضعيف مي کند، ايجاد عيوب بلوري نيز قادر است برخي از خواص ماده را بهبود دهد و برخي را تضعيف کند. به عنوان مثال، همان‌طور که تغيير حالت ماده ممکن است رسانايي گرمايي را کم و رسانايي الکتريکي را زياد کند، بلورهاي معيوب هم ممکن است نسبت به بلورهاي بدون عيب رسانايي گرمايي کمتري داشته باشند، اما رسانايي الکتريکي بيشتري از خود نشان دهند. بنابراين، در پاسخ به اين پرسش که آيا عيوب بلوري بر خواص مواد اثر نامطلوب مي گذارند يا نه؟ بايد گفت که عيوب بلوري برخي از خواص را بهبود مي‌دهند و برخي را تضعيف مي‌کنند. به عبارت ديگر، گاهي عيوب، نقص محسوب مي شوند و گاه به عنوان يک عامل کمک‌کننده ما را در دستيابي به برخي خواص ياري مي کنند.
در مقدمه براي توصيف خصوصيات حالت گازي و تفاوتي که اين حالت با حالت مايع و جامد دارد به يک نکتة خيلي مهم اشاره کرديم. گفتيم که عامل اصلي تعيين‌کنندة خواص کلي مواد، ميزان تحرک اجزاي آن است. يعني ميزان تحرک مولکول ها و يون ها در تعيين خواص مواد نقش عمده اي بازي مي کند و مي تواند به‌تنهايي وضعيت بسياري از خواص را مشخص سازد. با توجه به اين توضيح، به تصوير زير بيشتر دقت کنيد.

شکل 2ـ تصويري ساده از يک شبکة بلوري

همان‌طور که در شکل 2 ديده مي شود، يک شبکة بلوري منظم و بي‌عيب با قرار گرفتن منظم يون ها (آنيون ها و کاتيون ها) در کنار يکديگر تشکيل مي شود. با توجه به توضيحات پيشين مي خواهيم به عنوان يک عامل تأثيرگذار در خواص ماده، وضعيت تحرک يون ها را در ساختار بلوري کامل (بدون حضور عيوب بلوري) بررسي کنيم. مي دانيم که بلورها (غالباً) داراي حالت جامد هستند و در اين حالت از ماده تحرک ذرات به صورت حرکت هاي محدود مانند لرزش و جابه‌جايي هاي موضعي است. علت عدم امکان حرکت آزاد در اين حالت از ماده، فشردگي ساختار و به تبع آن نيروهاي قوي بين ذرات است. وجود پيوندهاي قوي بين ذرات موجب مي شود که ذرات در پيوندهاي موجود اسير گردند و امکان حرکت آزادانه نداشته باشند. بديهي است که هر چه اين پيوندها بيشتر و قوي تر باشد، ميزان محدوديت ذرات بيشتر و تحرک آنها کمتر خواهد شد. بنابراين، تعداد و چگونگي پيوند ها در ميزان تحرک ذرات نقش اصلي را بازي مي کند. با اين توضيحات اين سؤال مطرح مي شود که در يک ساختار منظم و کامل بلوري ميزان تحرک ذرات (آنيون ها و کاتيون ها) چگونه است و آيا ميزان اين تحرک با ميزان تحرک بلورهاي ناقص (داراي عيوب بلوري) متفاوت است؟

شکل 3ـ طرحي ساده از يک شبکة بلوري ناقص (داراي عيب جاي خالي)

با در نظر گرفتن اين نکته که در يک شبکة کامل هر يون در محل خاص خود قرار مي گيرد و از طريق پيوندهاي مشخص با يون هاي اطرافش در موضع خود مستقر مي شود، مي توان نتيجه گرفت که تحرک يون ها در اين حالت به کمترين حد خود خواهد رسيد، زيرا تمام پيوندهاي ممکن در يک شبکة کامل تشکيل مي شود و هيچ ظرفيتي براي برقراري پيوند خالي نمي ماند. در مقابل، در يک بلور ناقص به علت اضافه بودن يا کم بودن يک يون (مثلاً کم بودن يک آنيون که معادل است با اضافه بودن يک کاتيون، يا اضافه بودن يک آنيون که متناظر است با کم بودن يک کاتيون) امکان تشکيل تمامي پيوندهاي ممکن وجود ندارد و از آنجا که هر پيوند همانند بندي است که يون ها را در محل خود محکم مي کند، مي توان انتظار داشت که در اين حالت (بلور ناقص) ميزان حرکت يون ها بيش از حالتي باشد که شبکة بلوري کامل است.

شکل 4ـ طرحي ساده از يک شبکة بلوري ناقص (داراي عيب بِين نشيني)

با مقايسة پيوند هاي موجود در شبکة بلوري کامل (شکل 2) و شبکه هاي بلوري داراي نقص (شکل هاي 3 و 4) مي توان به تفاوت هاي ناشي از وجود عيوب که به آزادي حرکتي بيشتر يون ها منجر مي شود پي برد.

يکي ديگر از سازوکارهايي که موجب مي شود تا يون ها در شبکه هاي بلوري ناقص از تحرک بيشتري برخوردار شوند، ايجاد اعوجاج است. همان‌طور که در مقاله هاي نقص بلوري به آن اشاره شده است، عيوب بلوري اعم از «جاي خالي» ، «بِين‌نشيني» و... به علت بر هم زدن نظم ابعادي شبکه، موجب جمع‌شدگي يا کشيدگي شبکه در محل نقص مي شوند. اين تغيير وضعيت، پيوند هاي اطراف اعوجاج را از حالت بهينة خود خارج مي‌کند و يون هاي محل اعوجاج را تحرک بيشتري مي‌بخشد. بنابراين، چولگي شبکة بلوري، علت ديگري براي تحرکِ بيشتر يون ها در يک شبکة بلوري ناقص است.

 
پس از اين بررسي مقدماتي، برخي از اثرات عيوب بلوري را بر خواص مواد بررسي مي‌کنيم و از طريق مثال هاي واقعي، اثرات عيوب بلوري را در بهبود يا تخريب برخي از خواص نشان مي‌دهيم.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید