تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 0110
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
0110
filereader.php?p1=main_305c541a9a16433d1

موضوع: منابع فناوری نانو

فصل: چه چیزی خواص مواد را تعیین می‌کند؟


بخش اول: بررسی ساختار مواد
بخش دوم: معرفی ریزساختار
بخش سوم: انواع نقص‌های بلوری
بخش چهارم: عیوب بلوری، بهبود یا تخریب مواد؟


بخش‌ اول: بررسی ساختار مواد


نویسنده: بهنام غفاری



مقدمه

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آنها محکم‌تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارساناهستند؟ چرا نور میتواند از بعضی از مواد عبور کند و از بعضی دیگر نه؟

سوال‌هایی از این دست، ذهن را متوجه تفاوتهای مواد از نظر خواص میکند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌ها، به تفکر بیشتر وادار میکند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌های موجود در عناصر داریم، احتمالا نوع اتم و در نتیجه عدد اتمی آن را مهم‌ترین عامل تعیین کننده خواص مواد می‌دانید. با این حال تنها عدد اتمی تعیین کننده خواص یک اتم نیست. یکی از مواد بسیار پرکاربرد و مهم در صنایع پیشرفته (مانند صنایع تولید انرژی هسته‏‌ای)، آب سنگین است. برای آشنا شدن با آب سنگین، لازم است دوتریوم معرفی گردد. اتم هیدروژن اتم بسیار کوچکی است و ابعادی در حدود 1 آنگستروم دارد. این اتم شامل یک پروتون مستقر در هسته، و یک الکترون است. حال اگر یک نوترون نیز در کنار این پروتون در هسته قرار داشته باشد، در این صورت ماده حاصل چه خواهد بود؟

عدد اتمی یک عنصر، برابر با تعداد پروتو‏نهای آن اتم است. بنابراین عدد اتمی ماده جدیدی که از افزودن یک نوترون به هیدروژن به دست می‌آید، همانند هیدروژن برابر با یک است. اما از آنجاییکه جرم نوترون تقریبا هم اندازه با پروتون است، عدد جرمی این اتم برابر با دو است. یعنی یک اتم هیدروژن با جرمی تقریبا دو برابر. به این اتم، دوتریوم میگویند و آن را به عنوان یکی از ایزوتوپهای هیدروژن میشناسند. در صورتی‏که این اتم با اکسیژن ترکیب شود، آب سنگین به دست میآید. بنابراین، علاوه بر تعداد پروتونها و عدد اتمی، تعداد نوترونهای اتمها و عدد جرمی آنها نیز در تعیین خواص آنها شرکت دارند.

علاوه بر این دو مورد، حالت ترازهای انرژی الکترونهای اطراف هر اتم و همچنین تعداد الکترونهای لایهی آخر آن نیز در تعیین خواص آن اتم یا ماده تاثیرگذار است. این ویژگی میتواند نقشی تعیین کننده در ساز و کار ترکیب شدن آن ماده (خواص شیمیایی) داشته باشد. برای مثال خواص یک یون فلزی با اتم آن فلز متفاوت است. تا کنون نقش سه عامل عدد اتمی، عدد جرمی و آرایش الکترونی ماده در تعیین خواص ماده توضیح داده شده است.

شاید گمان کنیم که تفاوتهای موجود در مواد مختلف، تنها حاصل تفاوتهای عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر، مواد فقط متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگیهای رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی مواد، همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار میکند. براستی آیا با دانستن ترکیب شیمیایی مواد، خواص آنها معلوم خواهد شد؟

با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در مییابیم که بسیاری از آنها با وجود اینکه در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، اما دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان هستند و برخی دیگر از مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد میشود؟ برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگیهای مواد آشنا شویم.


1- ساختار مواد چگونه است؟

ساختار مواد ارتباط بین اتمها، یونها و مولکولهای تشکیل دهنده آن مواد را مشخص میکند. برای شناخت ساختار مواد ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتمها و یونها پی برد. پیوندهای شیمیایی، نحوه اتصال میان اتمها و یونها را مشخص میکنند. بنابراین تفاوت نوع اتصالات مختلف را در ویژگیهای این پیوندها میتوان مشاهده کرد. به عنوان مثال، در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترونها میشود، خاصیت «رسانایی» مشاهده نمیشود، زیرا الکترونها که حامل و انتقال دهندهی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی در میان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترونها میشود و امکان تحرک الکترونها را فراهم می‌نماید، میتوان خاصیت رسانایی را انتظار داشت. زیرا الکترونهای آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم میآورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پیوندهای اتمی میتواند به شناخت رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌توان پیشبینی کرد؟


1-1- بررسی ساختار الماس و گرافیت

همانطور که میدانید، گرافیت و الماس هر دو از اتم‌های کربن تشکیل شدهاند و هر دو «ریخت‌های» مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌ترین ماده طبیعی معرفی میگردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده «روانساز» به کار گرفته میشود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتمهای کربن نمیتوان نسبت داد، زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتمهای کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در «چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی» این دو شکل کربن است. در گرافیت، اتمهای کربن شش ضلعیهای پیوستهای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل میدهند که در یک سطح، گسترده شده است (شکل 1). لایههای شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل میدهند که به آن گرافیت گفته می‌شود. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتمهای کربن هر لایه، لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است. نوع دوم، اتصالی است که لایههای لانه زنبوری را بهیکدیگر وصل میکند. بدیهی است که این نوع از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست.

بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایهها را مشخص میکند - ضعیفتر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس میتوان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفحات لانهزنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کوالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، این ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه ها، به مراتب دارای تفاوت کم‌تری نسبت به استحکام درون آنها است. از طرفی به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه ای، انتظار میرود که با اعمال نیرویی بیشتر، لایه های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند. .



filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

شکل 1: ساختار گرافیت




در مقابل ساختار لایهای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار میشود در حالیکه در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه ای سه بعدی فضا را پر میکنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد میکند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار مینماید.

با توضیحاتی که درباره تفاوتهای ساختاری گرافیت و الماس داده شد، مشخص میگردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیلدهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین، از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را میتوان پیشبینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص میتوان ساختار متناسب با آنها را طراحی نمود.



filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

شکل 2: ساختار الماس








filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو