على المعادن والحياكة والأحجار الكريمة

عن تاريخ علم البلورات منذ بداية البشرية إلى اكتشاف البروفيسور دان شيختمان

دانا أشكنازي ونعوم إلياز جاليليو

منذ فجر البشرية اهتم الإنسان بالبلورات، وذلك لجمالها الساحر وأشكالها المبهرة وتعدد ألوانها وظلالها. الأحجار الكريمة مثل الماس والياقوت والياقوت والزمرد (الزمرد) عبارة عن بلورات، يوجد فيها ترتيب دوري طويل الأمد لذرات المادة، مما يمنحها خصائص مميزة. في العصور القديمة، اعتقد الناس أن الأحجار الكريمة المختلفة لها قوى سحرية يمكن أن تمنح أصحابها فضائل مثل الثروة والصحة والحكمة، ولا يزال البعض يعتقد ذلك حتى يومنا هذا. وفي مصر الفرعونية كان الحجر الأزرق (اللازورد) الذي لونه أزرق ملطخ بالذهب، من أغلى الأحجار الكريمة.

وهذا الحجر الذي كان يعتبر حجر الآلهة كان مرصعا بالجواهر الثمينة. وتجدر الإشارة إلى أن اللون الأزرق عبارة عن صخرة مكونة من عدة أنواع من المعادن. كما اعتاد المصريون القدماء طحن الحجر الأزرق إلى مسحوق، وخلط المسحوق بالماء واستخدامه في المكياج. وكان رئيس الكهنة (الخروج 39) يلبس سترة مرصعة فيها عشرات الجواهر بعدد أسباط إسرائيل.

تم وضع هذا الملحق الطقسي على صدر الكاهن أثناء قيامه بالعمل المقدس في الهيكل. منذ آلاف السنين، كان الإنسان يتباهى بالمجوهرات المرصعة بالأحجار الكريمة البلورية المتلألئة. قدم الرجال والنساء لأزواجهم بلورات كرمز لحبهم الأبدي، ودار عدد غير قليل من الصراعات والحروب حول تلك البلورات ذات الأشكال الرائعة.

من اليونان القديمة إلى علم البلورات، شغل لغز التركيب البلوري الجنس البشري منذ العصور القديمة. اعتقد اليونانيون القدماء أن جميع المواد في العالم تتكون من أربعة عناصر: الأرض والماء والهواء والنار. اعتقد اليونانيون أن البلورات مصنوعة من عنصر الأرض. يعتقد جون دونز سكوت، عالم لاهوت من القرن الثالث عشر، أن البلورات تعيش وتنمو مثل النباتات، وأن بنيتها تنبع من رغبة الكائنات الحية في ترتيب نفسها حول شكل "مثالي". كان عالم الفلك والرياضيات الألماني يوهانس كيبلر، المعروف بصياغة قوانين "الحركة السماوية"، مهتما ليس فقط بالنجوم، ولكن أيضا ببنية البلورات. في أطروحته "ندفة الثلج السداسية"، ادعى كيبلر أن رقاقات الثلج تتكون من جزيئات كروية صغيرة.

وادعى الجيولوجي الدنماركي نيكولاس ستينو أن نمو الجسم - سواء كان نباتيًا أو غير حي - ينتج عن تراكم الجزيئات المفرزة من السائل. ويرى ستينو أن القوة الداخلية هي المسؤولة عن نمو النباتات، بينما القوة الخارجية هي المسؤولة عن نمو البلورات. ولم يعرف ستينو كيف يفسر ماهية تلك القوة، لكنه يعتقد أنها عبارة عن "بذرة" صغيرة في السائل هي التي تبدأ عملية نمو البلورات عن طريق جذب الجزيئات من السائل.

روبرت هوك، أحد أعظم العلماء في القرن السابع عشر (قانون هوك، الذي سمي باسمه، يصف استطالة الجسم المرن بما يتناسب بشكل مباشر مع القوة المؤثرة عليه؛ كما صاغ المصطلح البيولوجي الأول "الخلية")، يليه على خطى كيبلر، وأظهر أنه من خلال ضغط المجالات بكثافة يمكن الحصول على العديد من الأشكال البلورية. وبما أن رواد علم البلورات تعاملوا مع المواد غير النقية، التي تحتوي على العديد من العيوب، فقد كان فرز البلورات مهمة معقدة للغاية. لذلك، ظل مجال علم البلورات يكتنفه الظلام لسنوات عديدة، حتى اقترح أبراهام فيرنر (فيرنر)، الباحث الألماني في مجال علم المعادن (علم المعادن)، طريقة لفرز المعادن.

المعادن هي مواد صلبة طبيعية غير عضوية، وعادة ما تكون بلورية، ولها خصائص فيزيائية وكيميائية محددة. اقترح فيرنر، الذي كان رجلاً عمليًا، تقسيم البلورات إلى مجموعات وفقًا لخصائصها البصرية. وبهذا النهج البسيط والعملي، قام فيرنر بفرز مجموعة واسعة من المعادن البلورية حسب لونها، ودرجة خشونتها، وجاذبيتها النوعية، ورائحتها، وشفافيتها، وطريقة تكسرها، وصلابتها، وما إلى ذلك. قام فيرنر بفهرسة كل معدن يقع في يديه وفقًا لهذه الخصائص، وبالتالي أنشأ "دليلًا ميدانيًا" للتعرف على المعادن.

أحد أهم الإنجازات في دراسة الهياكل البلورية حدث في عام 1845، عندما تمكن الفيزيائي الفرنسي أوغست برافيه من التنبؤ بـ 14 مجموعة أساسية محتملة من الهياكل الهندسية والذرات المدمجة داخلها، والتي يتم منها بناء البلورات المختلفة. تُعرف هذه الهياكل اليوم باسم "شبكات Bravais".

حياكة بارفا - تمثل الأنماط الثلاثة ثلاثية الأبعاد في الرسم التوضيحي، المبنية على هيكلين هندسيين مختلفين (مكعب وسداسي)، اللبنات الأساسية لبعض البلورات. تشير الكرات الحمراء في الشكل إلى الذرات. إن ملء الفراغ باستخدام أي من هذه الأنماط سيسمح بإنشاء بنية بلورية. يعتبر الهيكل المكعب مثالًا بسيطًا نسبيًا، نظرًا لأن جميع المحاور متساوية وجميع الزوايا قائمة. معظم العناصر النقية في الحالة الصلبة البلورية لها بنية مكعبة مركزية الوجه أو مكعبة مركزية الجسم أو سداسية الشكل

الأشعة السينية
علم البلورات (نظرية البلورات) هو علم يتناول دراسة وتفسير الهياكل البلورية والطرق التجريبية لتحديدها، بما في ذلك طريقة تكوين البلورات وخصائصها. وحدثت الطفرة الكبيرة في هذا المجال في بداية القرن العشرين، بعد اكتشاف إمكانية فك بنية البلورات باستخدام الأشعة السينية.

الكثير مما نعرفه عن ترتيب البلورات هو نتيجة الدراسات التي أجريت في مجال حيود الأشعة السينية. الأشعة السينية هي موجات كهرومغناطيسية يبلغ طولها الموجي 0.02-100 Å (وفقًا للصيغة: Å = 10)^-10 م). يحدث الحيود عندما تواجه الموجة سلسلة من العوائق ذات مسافة ثابتة بينها والتي: (1) قادرة على تشتيت الموجة، و(2) تكون المسافة بينها بنفس حجم الطول الموجي الوارد.

للضوء المرئي طول موجي يتراوح بين 3,800-7,800 أنجستروم، وهذا يعني أنه أعلى بكثير مما هو مطلوب لتوصيف الهياكل البلورية. في المقابل، يستخدم حيود الأشعة السينية شعاعًا ذو طاقة مميزة تبلغ 1-120 كيلو إلكترون فولت، مما ينتج طولًا موجيًا قدره 0.1 أنجستروم إلى عدد قليل من الأنجستروم (لحد الطاقة العلوي أو السفلي، على التوالي). هذه الأطوال الموجية هي في حدود حجم معلمات الشبكة، وبالتالي فإن استخدام الأشعة السينية يسمح بفك بنية البلورات.

في عام 1912، قام الفيزيائي الألماني ماكس فون لاو بإشعاع بلورة كبريتات النحاس بالأشعة السينية، وفي سلسلة من التجارب، وجد لاو أن الأشعة السينية تنكسر أثناء مرورها عبر البلورة، وأن الأشعة السينية هي إشعاع كهرومغناطيسي. ذات أطوال موجية قصيرة، في حدود حجم المسافة بين ذرات البلورة. ونتيجة لتشعيع البلورة تلقت اللافا نمطا من النقاط (البقع) نتج عن طريقة انكسار الأشعة السينية وعودتها من ذرات البلورة مرتبة بشكل دوري.

وفقا لشدة الإشعاع المنعكس من البلورة، استنتجت الحمم اتجاه ذرات البلورة. واستخدمت اللافا الأشعة السينية للحصول على "صورة" للمواد البلورية حسب طريقة انكسار الأشعة السينية خلال هذه المواد، وأثبتت أن ذرات البلورة مرتبة بشكل دوري. ولهذا الاكتشاف في مجال حيود الأشعة السينية في البلورات، حصلت إيفا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1914.

ظاهرة التداخل
التداخل هو ظاهرة تميز سلوك الموجة: عندما تمر عدة موجات عبر نقطة واحدة في الفضاء، فإن سعة الموجة عند تلك النقطة ستكون مجموعًا جبريًا، مع الأخذ في الاعتبار الاتجاه، لسعة جميع الموجات عند تلك النقطة. يسمى مخطط الموجات هذا بالتراكب. ويحدث التداخل البناء بين الموجات عندما يتم الحصول على نقاطها القصوى (والدنيا) معًا، أي عندما يكون تردد الموجات ووقوعها متساويين. من ناحية أخرى، يحدث التداخل المدمر عندما يكون لموجتين نفس التردد، ولكن لديهما اختلاف في السعة بمقدار نصف دورة.

واجه لافا صعوبات قليلة في فك رموز الصور التي تلقاها. وانتهت هذه الصعوبات في عام 1914، عندما وجد عالمان إنجليزيان، ويليام هنري براج ووليام لورانس براج، أن ترتيب الذرات البلورية يخلق مستويات متوازية لها نفس المسافة بينها. توصل الأب وابنه براج إلى استنتاج مفاده أنه بالنسبة لمسافة معينة بين الذرات وطول موجي معروف، هناك زاوية من شأنها أن تعطي أقصى انعكاس للإشعاع (التداخل البناء). لذلك، من خلال تشعيع البلورة بالأشعة السينية وقياس الزاوية التي يتم عندها الحصول على أقصى انعكاس، من الممكن حساب المسافات بين ذرات البلورة. ولهذا الاكتشاف حصل الباحثان على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1915.

مؤسسو ورواد علم البلورات

اللغز الكريستالي
عندما ننظر حولنا، نرى في كل مكان مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد. والقاسم المشترك بين كل هذه المواد هو أنها تتكون من ذرات (أو أيونات) العناصر. كتلة الحديد تتكون من ذرات عنصر الحديد، وكتلة التيتانيوم تتكون من ذرات عنصر التيتانيوم، أما المادة التي تسمى الماء تتكون من ذرات عنصري الهيدروجين والأكسجين. العناصر التي تتكون منها المادة وطبيعة الروابط بين ذراتها وترتيب الذرات في الفضاء ونوع العيوب الموجودة في المادة هي المسؤولة عن خواص المادة.

هناك عدة أنواع من الروابط بين الذرات، بما في ذلك الروابط الأيونية، والروابط التساهمية (مشاركة أزواج الإلكترون بين الذرات)، والروابط المعدنية. في الرابطة المعدنية، "تتخلى" الذرة عن الإلكترونات الموجودة في غلافها الخارجي، والتي "تساهم بها" في تكوين سحابة من الإلكترونات الحرة داخل المادة. يمنح هذا الهيكل المعادن خصائص مثل اللمعان وتوصيل الحرارة والكهرباء.

بالإضافة إلى الروابط الأيونية والتساهمية والمعدنية، هناك أيضًا روابط ثانوية أضعف تسمى روابط فان دير فالس وروابط الهيدروجين. روابط فان دير فال هي روابط تتشكل نتيجة عدم التماثل في مدارات الإلكترون في الغلاف الخارجي. وبسبب عدم التماثل هذا، تصبح منطقة معينة من الجزيء مؤقتًا سلبية قليلاً، ومنطقة أخرى إيجابية قليلاً. بين هذه المناطق المشحونة مؤقتًا، يتشكل جذب كهربائي ضعيف، يسمى رابطة فان دير فالس. على سبيل المثال، توجد بين طبقات ذرات الجرافيت روابط فان دير فالس الضعيفة، والتي يمكن كسرها بسهولة. في الواقع، هذا ما نفعله عندما نكتب بقلم الرصاص.

تنشأ الروابط الهيدروجينية من حقيقة أنه في بعض الجزيئات، مثل جزيئات الماء، توجد ذرات هيدروجين بشحنة موجبة جزئية وذرات أخرى بشحنة سالبة جزئية. في الجزيئات المجاورة من هذا النوع، تنجذب المنطقة سالبة الشحنة من جزيء واحد إلى المنطقة المشحونة إيجابيًا من جزيء آخر. يمكن أن تحتوي المادة الموجودة في الحالة الصلبة على ترتيب دوري طويل المدى للذرات، أي أن يكون لها تركيب بلوري، أو أن يكون لها ترتيب ذري قصير المدى فقط، على غرار التركيب السائل. وفي حالة الترتيب قصير المدى نقول أن البنية غير متبلورة، أو زجاجية. من الممكن الإشارة إلى البنية الزجاجية على أنها بنية سائلة متجمدة دون أن تتبلور. في الشكل يمكنك رؤية الفرق بين البنية غير المتبلورة والبنية البلورية.

كما في لوحات آشر
ويذكرنا الترتيب البلوري بطريقة بناء النحل لأقراص العسل التي تحتوي على عدد كبير من الأشكال السداسية، أو بالطريقة التي رسم بها الفنان الهولندي الشهير إيشر زخارف مختلفة (مثل الأسماك والفراشات والسحالي) تتكرر في بنية منظمة ودورية. يتميز التركيب البلوري بحقيقة أن ذرة واحدة أو أكثر (عنصر) يمكن أن ترتبط بكل نقطة شبكية، كما أن هناك دورية للترتيب في حجم المادة.

عند وصف البنية البلورية، من المعتاد الإشارة إلى الذرات أو الأيونات على أنها كرات صلبة. كما ذكرنا سابقًا، تسمى الخلية الأساسية للبلورة بخلية الوحدة. تم بناء الشبكة من مجموعة من وحدات الخلايا المتكررة دوريًا، مع وجود بعض العناصر، واحدة أو أكثر، في نقاط ثابتة في الشبكة. يمكن أن تكون الهندسة الأساسية لخلية الوحدة مكعبًا على سبيل المثال.

إذا كانت الجسيمات التي تشكل البلورة هي ذرات معدنية، مع وجود رابطة معدنية بين الذرات، فإن البلورة هي بلورة معدنية. إذا كانت الجسيمات التي تتكون منها البلورة أيونات وهناك روابط أيونية بينها، فإن البلورة هي بلورة أيونية. العديد من المواد الخزفية لديها مثل هذا الهيكل. ملح الطعام هو أيضًا مثال على مادة أيونية ذات بنية بلورية، كما ترون في الشكل الذي أمامك.

الترتيب الدوري لأيونات الصوديوم والكلور في التركيب البلوري لملح الطعام (NaCl). تشير الكرات الزرقاء إلى أيونات الكلور السالبة، بينما تشير الكرات الأرجوانية إلى أيونات الصوديوم الموجبة. يجب أن يضمن الهيكل البلوري في هذه الحالة الحياد الكهربائي والتعبئة الفعالة لنوعين من الأيونات بأحجام مختلفة. بالإضافة إلى البلورات المعدنية والأيونية، هناك أيضًا بلورات جزيئية، تكون العناصر الموجودة عند نقاط الشبكة عبارة عن جزيئات، وليست ذرات فردية. الروابط داخل الجزيئات هي روابط تساهمية قوية، بينما بين الجزيئات توجد روابط ضعيفة (روابط فان دير فال وروابط الهيدروجين).

איך זה עובד؟
المادة المصنوعة من بلورة واحدة فقط تسمى بلورة واحدة. في صناعة الإلكترونيات الدقيقة، يتم استخدام بلورة واحدة ضخمة من السيليكون (Si)، والتي يتم تقطيعها إلى شرائح رقيقة (رقائق). وفي نهاية عملية الإنتاج، تحتوي كل شريحة على آلاف المكونات، والتي تُستخدم لبناء الدوائر المطبوعة. معظم المواد البلورية ليست بلورات مفردة، ولكنها تتكون من مجموعة كبيرة من البلورات تنمو من مراكز تصلب مختلفة وتنظم في اتجاهات بلورية مختلفة. المادة التي تحتوي على عدد كبير من البلورات (النوى) مرتبة في اتجاهات مختلفة تسمى متعدد البلورات.

تسمى عملية تكوين البلورات بالتبلور. أثناء تصلب مادة متعددة البلورات، تتشكل بلورات صغيرة تسمى الأجنة في أماكن مختلفة في السائل. تنمو هذه البلورات عن طريق التقاط الذرات من البيئة السائلة. ويسمى سطح الالتقاء بين حبيبتين مختلفتين بحدود الحبوب. لا يوجد ترتيب بلوري مثالي عند حدود النواة، وهي تحتوي على تركيز عالٍ من العيوب (أي مناطق الاضطراب في التعبئة الذرية)، مثل الذرات الأجنبية (الشوائب)، التي تتركز عند الحدود وتتحرك من خلالها بسرعة، نسبة إلى سرعة حركتها عبر حجم النوى.

تتأثر خصائص المواد بطريقة ترتيب الذرات داخل النوى وعلى الحدود بينها. على سبيل المثال، كلما كانت حبيبات المادة متعددة البلورات أصغر، زادت حدود الحبيبات، ونتيجة لذلك تزداد قوة المادة وصلابتها (طالما أن درجة الحرارة ليست عالية جدًا). كما أن هناك اختلافًا في الخواص بين المواد أحادية البلورات أو متعددة البلورات أو غير المتبلورة.

تميل المواد الخزفية والبوليمرات في الحالة غير المتبلورة أو أحادية البلورة إلى أن تكون شفافة للضوء، وفي المقابل فإن نفس المواد في الحالة متعددة البلورات تميل إلى أن تكون معتمة للضوء، وفي بعض الأحيان يكون لها لمعان وتعكس ضوءًا مشابهًا للمرآة. هناك أيضًا مواد سيراميكية وبوليمرات ذات ترتيب مغلق قصير المدى فقط؛ وتسمى هذه المواد بالمواد الزجاجية، أو المواد غير المتبلورة، وتختلف خصائصها إلى حد كبير عن خصائص المواد الصلبة البلورية.

تصلب المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة متعددة البلورات. عادة، يتم الحفاظ على الترتيب البلوري في حجم معين في المادة، وبجانبه يوجد حجم آخر ذو بنية بلورية مرتبة في اتجاه مختلف (المناطق الصفراء في الشكل). بين المجموعات المرتبة، والتي تسمى النوى، توجد منطقة عازلة غير منتظمة، تسمى حدود النواة.

تعدد الأشكال
تعدد الأشكال (باليونانية - "تعدد الأشكال") يعني أن المادة تظهر في هياكل بلورية مختلفة تحت ظروف مختلفة من الضغط و/أو درجة الحرارة، دون أي تغيير في تركيبها الكيميائي. في العناصر النقية، تسمى هذه الظاهرة أيضًا بالتآصل. العديد من المواد الخزفية، مثل السيليكا (SiO2)، تكون متعددة الأشكال. إن ظاهرة التآصل في الحديد، وهي المكون الرئيسي للفولاذ (السبائك القائمة على الحديد والكربون)، تجعل من الممكن إنشاء فولاذ بهياكل بلورية مختلفة وخصائص مختلفة من خلال معالجات حرارية مختلفة. وهذا هو أحد الأسباب التي جعلت الفولاذ، على مر السنين، أكثر المواد الهيكلية شيوعًا.

عندما يتم تسخين الحديد النقي من درجة حرارة الغرفة، فإنه يخضع لتحولين متآصلين قبل أن ينصهر ويصبح سائلاً عند درجة حرارة 1,538 مئوية. في درجة حرارة الغرفة، يكون للحديد هيكل مكعب متمركز حول الجسم (يُعرف باسم الفريت)، وهو مغناطيسي، ويمكنه إذابة كمية صغيرة من ذرات الكربون فيه. عند درجة حرارة 912 مئوية. يخضع الحديد لتغير هيكلي (انتقال متباين)، ويشكل بنية مكعبة متمركزة على طور (يُعرف بالأوستينيت)، وهو ليس مغناطيسيًا ويمكنه إذابة كمية أكبر بكثير من ذرات الكربون بداخله. هذا الهيكل مستقر حتى درجة حرارة 1,394 درجة مئوية، حيث يحدث انتقال تآصلي ثانٍ، وينتهي بتكوين هيكل مكعب مغناطيسي متمركز حول الجسم، يُعرف باسم حديد دلتا. يمتلك الفريت وحديد الدلتا بنية بلورية مماثلة، لكن الفريت أكثر ليونة ويمكنه إذابة تركيز أقل من الكربون فيه.

مثال آخر مهم هو عنصر الكربون، الذي يمكن أن يوجد في الحالة الصلبة على شكل جرافيت (بنية سداسية)، أو على شكل ماس (بنية مكعبة)، أو على شكل كرة C60 تحتوي على 60 ذرة كربون (فوليرين، أو كرة بوكي)، وكذلك في شكل الأنابيب النانوية. وفي كل مادة من هذه المواد، والتي كلها مصنوعة من الكربون النقي، هناك روابط مختلفة بين الذرات، ونتيجة لذلك فهي تتميز بمظاهر مختلفة وخصائص مختلفة.

كل ما تريد معرفته عن الألماس
الماس الأبيض هو معدن بلوري ثمين، يتكون فقط من الكربون. إنه كنز طبيعي، الأول بين الأحجار الكريمة. يتشكل الماس في الطبيعة في أعماق الأرض (150-450 كيلومتراً، أو حتى أكثر)، حيث تسود ظروف الضغط العالي (حوالي 40,000 ألف ضغط جوي) ودرجات الحرارة المرتفعة (1,000-1,200 درجة مئوية تقريباً). ويبدو أن الماس يتكون من الصهارة الغنية بالكربون (كربونات). بمجرد تشكله، قد يبقى الماس في وشاح الأرض لفترة طويلة، حتى يتم إحضاره إلى السطح في انفجارات الصهارة، التي تسمى الكمبرلايت. مع تعرض الكمبرلايت للعوامل الجوية، يتم غسل الماس في تيارات، مما يشكل أحيانًا رواسب ثانوية داخل الانجراف.

على الرغم من أن الماس ليس مستقرًا طاقيًا في ظل الظروف البيئية القياسية، فمن حسن الحظ أن عملية تفككه بطيئة جدًا، لذلك يمكننا الاستمتاع به. يمكن إنتاج الماس الاصطناعي في المختبر باستخدام موجات البلازما عند ضغوط عالية ودرجات حرارة عالية. ويتم في هذه العملية استخدام قطع صغيرة من الألماس الطبيعي، وهي مراكز النمو. وعلى الرغم من ذلك، لم يتمكنوا حتى اليوم من إنتاج الماس الاصطناعي الذي يقارن في نظافته وشفافيته وحجمه بالماس الطبيعي.

الماس، كما ذكرنا، هو أحد الأشكال المتعددة للكربون. تتكون البلورة الماسية من خلية وحدة مكعبة، حيث ترتبط كل ذرة كربون بأربع ذرات كربون أخرى. وبهذه الطريقة يتم تشكيل رباعي الاسطح من ذرات الكربون. يُطلق على هذا الهيكل، الذي تظهر خلية الوحدة الخاصة به في الشكل، اسم البنية الماسية، وهو أيضًا نموذجي للعناصر الأخرى، مثل السيليكون والجرمانيوم (Ge).

إنها بنية مستقرة للغاية (أي ذات مستوى طاقة منخفض)، لأن أزواج الإلكترونات المشاركة في الروابط التساهمية متباعدة قدر الإمكان. إن ثبات الهيكل هو الذي يمنح الماس قوته وصلابته العالية. على مقياس من 1 إلى 10 (1 هو الأكثر ليونة، 10 هو الأصعب)، الذي اقترحه عالم المعادن فريدريش موس (موس) لوصف مقاومة المعادن المختلفة للخدش، يتمتع الماس بصلابة تبلغ 10، وهي الأعلى بين جميع المواد الموجودة في العالم. طبيعة. لذلك، يمكن استخدامه لمعالجة المواد الأخرى، مثل القطع والطحن والتلميع.

هل تعلم أن الجرافيت والماس مصنوعان من نفس المادة؟
الجرافيت هو متعدد الأشكال آخر لعنصر الكربون. لكن على عكس الألماس، يتكون الجرافيت من طبقات تحتوي على أشكال سداسية من ذرات الكربون، كما هو موضح في الشكل. داخل كل طبقة من هذه الطبقات، ترتبط ذرات الكربون معًا بروابط تساهمية قوية، حيث ترتبط كل ذرة كربون في المستوى بثلاث ذرات كربون أخرى تقع بالقرب منها. ترتبط الطبقات ببعضها البعض بواسطة روابط فان دير فال الضعيفة.

هذه الروابط الضعيفة بين الطبقات تجعل الجرافيت ناعمًا (على عكس الماس، تبلغ صلابة الجرافيت حوالي 1-2 على مقياس موس)، وتسمح باستخدامه (مخلوطًا مع مواد أخرى، مثل الطين) لإنتاج أقلام الرصاص. الاستخدامات الإضافية للجرافيت: صناعة الفولاذ، والقضبان في المفاعلات النووية، ومكونات التسليح في المواد المركبة.

يتكون الجرافيت من أشكال سداسية من ذرات الكربون، مرتبطة ببعضها البعض داخل المستوى بواسطة روابط تساهمية قوية. كل ذرة كربون، ممثلة في الشكل على شكل كرة زرقاء، مرتبطة بثلاث ذرات كربون أخرى داخل المستوى. وترتبط الطبقات ببعضها البعض بواسطة روابط فان دير فالس الضعيفة، والتي تجعل الجرافيت ناعمًا، وتسمح باستخدامه في صنع أقلام الرصاص.

جزيء C60 (بوكمنسترفوليرين)، يتكون من ستين ذرة كربون، مكونًا هيكلًا مغلقًا. الكرات الزرقاء في الصورة تمثل ذرات الكربون. يتكون الجزيء من 20 شكلًا سداسيًا و12 شكلًا خماسيًا. الهيكل مطابق في الشكل لكرة القدم

تم اكتشاف شكل آخر من أشكال الكربون
وفي عام 1985، تم اكتشاف شكل آخر من الكربون يسمى الفوليرين. وهو عبارة عن جزيء كربون (روابط تساهمية) ذو شكل كروي مجوف (بنية مجوفة مغلقة تسمى البنية الجيوديسية). اكتشاف هذا الشكل، الموجود في السخام (حتى في سخام شمعة الشمع، يمكن العثور على كميات ضئيلة من الفوليرين) وفي الفضاء بين النجوم، حصل مكتشفوه، روبرت كيرل، وهارولد كروتو، وريتشارد سمالي، على جائزة نوبل في العلوم. الكيمياء لعام 1996.

بكمينسترفوليرين، أو الكربون 60 (هناك 60 ذرة كربون تشكل هذا الجزيء)، هو أول فوليرين يتم اكتشافه في عائلة الفوليرين، وهي مواد ذات بنية بلورية جزيئية. ومع مرور الوقت، تم اكتشاف جزيئات كربون إضافية تنتمي أيضًا إلى عائلة المواد القطبية. تتكون جميع الفوليرينات من مزيج من الحلقات السداسية (السداسية) والحلقات الخماسية (البنتاغون).

تمت تسمية جزيء بكمنسترفوليرين على اسم المهندس المعماري وعالم الرياضيات الشهير ريتشارد بكمنستر فولر (باكمينستر "بوكي" فولر)، الذي قدم هيكل جناح غاودي الأمريكي الذي صممه في معرض دولي في مونتريال في وقت مبكر من عام 1967. لأن جزيء C60 له شكل يشبه مثل كرة القدم الإنجليزية، التصق اللقب بهذا الجزيء "كرة بوكي".

هناك بلورة جزيئية يكون فيها الشكل الموجود عند النقاط الشبكية لخلية مكعبة مركزية الوجه عبارة عن جزيئات الفوليرين، وليس ذرات فردية. يمكن إنتاج بلورات الفوليرين في المختبر، على سبيل المثال عن طريق تمرير تيار كهربائي قوي بين قطبين من الجرافيت الموجودين في جو من الغازات النبيلة. في السنوات الأخيرة، توسعت الأبحاث والتطوير في مجال الفوليرين وتقدمت إلى حد كبير، ومن المرجح أن يستمر هذا المجال في التطور في المستقبل أيضًا.

أنابيب الكربون النانوية
أنابيب الكربون النانوية هي نوع من الفوليرين الممدود. يتم الحصول عليها عن طريق طي مستوى واحد من الجرافيت وإضافة نصف الكرة القطبية على كل جانب من الهيكل الأسطواني، بحيث يتم إنشاء هيكل مجوف مغلق. تتكون هذه الأنابيب النانوية من سطح كربوني سداسي الشكل، يشبه الجرافيت. ومع ذلك، على عكس بنية الجرافيت، يوجد في الأنابيب النانوية أيضًا خماسيات، وأحيانًا مشبعة تتكون من ذرات الكربون، مما يمنع السطح من أن يكون مستويًا.

هذا الهيكل الإضافي للكربون، الذي تم اكتشافه لأول مرة في عام 1991، لا يوجد في الطبيعة، ولكن يتم إنتاجه بشكل صناعي. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بخصائص فريدة، ناتجة عن بنيتها الفريدة. لديهم موصلية كهربائية جيدة، وهناك مزيج نادر من القوة العالية من ناحية، والمرونة الممتازة من ناحية أخرى.

تشمل الاستخدامات المستقبلية المحتملة للأنابيب النانوية الدوائر الإلكترونية الدقيقة، وشاشات التلفزيون عالية الدقة، والاستخدامات الطبية (على سبيل المثال، لتدمير الخلايا السرطانية بطريقة مستهدفة)، والجسور، وهيكل السيارة الخفيف والقوي للغاية، وأجزاء الطائرات.

التمعدن الحيوي
توجد البلورات وعمليات التبلور أيضًا في الجسم الحي. المكون غير العضوي الرئيسي للعظام هو معدن يسمى الأباتيت. ينتمي هذا المعدن إلى عائلة فوسفات الكالسيوم. في شكلها الاصطناعي، تعمل معادن الأباتيت الخزفية على تشجيع بناء والتصاق الأنسجة الصلبة، مثل العظام. لذلك، منذ حوالي 30 عامًا، قامت بعض الشركات المصنعة لزراعة العظام وزراعة الأسنان بتغطية منتجاتها، المصنوعة أساسًا من معادن مثل التيتانيوم وسبائكه، بطبقات الأباتيت الاصطناعية.

تعمل هذه الطلاءات على تحسين تثبيت الزرعة عن طريق تكوين أنسجة عظمية حولها، مع منع تكوين أنسجة ليفية ضعيفة في منطقة واجهة الزرعة/العظم. في مختبر المواد الحيوية والتآكل في جامعة تل أبيب، الذي ينتمي إليه مؤلفو هذا المقال، تمت في السنوات الأخيرة دراسة العمليات المختلفة التي تؤثر على تفاعل خلايا بناء العظام مع السطح. يتم عرض صور مجهرية هنا، توضح الشكل السطحي لطلاءات الهيدروكسيباتيت الاصطناعية، التي تنتجها عملية كهروكيميائية.

إسرائيل على الخريطة
في عام 1984، حدثت ضجة كبيرة في مجتمع علم البلورات العالمي، عندما نشر الباحث الإسرائيلي من كلية هندسة المواد في التخنيون، البروفيسور داني شيختمان، مع زملائه، مقالاً يناقش البلورات ذات "التناظر المحظور". اكتشف شيختمان وزملاؤه هذه الظاهرة في وقت مبكر من عام 1982، ولكن بسبب شكوك العديد من الباحثين في المجتمع العلمي، استغرق الأمر حوالي عامين حتى يتم نشر المقال في مجلة.

البلورات التي اكتشفها شيختمان وشركاؤه، والمعروفة باسم شبه البلورات، لا تخضع لقوانين "التناظر البلوري الكلاسيكي"، التي سيطرت على مجال علم البلورات لسنوات عديدة. وفقًا لعلم البلورات الكلاسيكي، يتم تعريف "البلورة" على أنها ترتيب ثلاثي الأبعاد للذرات مع دورية انتقالية على طول محاورها الرئيسية الثلاثة. يمكن تبليط المساحة ثنائية الأبعاد بالكامل ببلاط مربع أو مستطيل أو مثلث أو سداسي.

يأتي هذا من حقيقة أن هذه المضلعات لها زوايا رأسية تساوي حاصل القسمة الكامل لـ 2p. مزيج من عمليات التدوير من الدرجة الثانية والثالثة والرابعة والسادسة (أي التدوير بمعدل 2p/3، 4p/6، 2p/2، و2p/3، على التوالي) مع 2 شبكة بارفا تنتج 4 مجموعة فضائية.

في المقابل، تجسد أشباه البلورات نوعًا جديدًا من النظام، بين النظام البلوري وغير المتبلور. يتم تعريف شبه البلورات على أنها مواد غير بلورية ذات ترتيب مثالي بعيد المدى، والتي تفتقر إلى دورية النسخ في ثلاثة أبعاد. يتم التعبير عن الجزء الأول من هذا التعريف بظهور نقاط حيود حادة، والجزء الثاني في وجود تماثل دوراني لا يكون وفق علم البلورات الكلاسيكي (أي العمليات الدورانية من الرتبة 5 أو الرتبة الأعلى من 6).

عمليات التدوير من الترتيب 5 أو الترتيب الأعلى من 6 لا تسمح بالتبليط الدوري للمساحة. في البلاط الخماسي، على سبيل المثال، تكون زوايا الرأس تساوي 108°، وهي قيمة تحتوي على 3.333 مرة في 2p. لذلك، يمكن وضع ثلاثة خماسيات فقط حول "نقطة شبكية" معينة، مما يخلق تباعدًا زاويًا قدره 36 درجة.

أدى اكتشاف شيختمان وزملاؤه إلى كسر التقاليد السائدة في مجال علم البلورات. وفي أعقاب ذلك، تم العثور على مئات من البلورات الجديدة، والتي كانت تعتبر مستحيلة حتى ذلك الحين. كما وجد أن التركيب شبه البلوري يؤثر على خواص المادة. على سبيل المثال، أشباه البلورات هي موصلات رديئة للكهرباء والحرارة، ولها معامل احتكاك منخفض، وصلابة عالية ومقاومة عالية للحام (التآكل).

سيبا
منذ فجر البشرية، أبدى الإنسان اهتمامًا بالبلورات وبنيتها. ومع ذلك، فقط في العصر الحديث تمكن باحثون مثل بارفا وفون لافا وبراج من تحقيق اختراقات علمية في مجال علم البلورات. وتتميز البلورات بترتيب دوري ثلاثي الأبعاد طويل المدى للذرات أو الأيونات أو الجزيئات. يؤثر هذا الترتيب على خصائص المادة، سواء كانت صناعية (على سبيل المثال، الفولاذ) أو طبيعية (على سبيل المثال، المعادن الحيوية أو الماس). في بعض الأحيان، يتغير التركيب البلوري لمادة معينة كدالة لدرجة الحرارة والضغط، وهي ظاهرة تعرف باسم تعدد الأشكال، وبالتالي تتغير خصائص المادة أيضًا.

لإسرائيل مساهمتها الخاصة في نظرية البلورات - اكتشاف أشباه البلورات ذات "التماثل المحظور" من قبل البروفيسور داني شيختمان وزملائه. ومن المتوقع أن تستمر الإنجازات في مجال نظرية البلورات وتؤدي إلى رسم خرائط لمواد جديدة وتطورات تكنولوجية مهمة.