در شبه بلورها، اتم‌ها مرتب یا مولکول‌ها در یک ساختار مرتب اما غیر دوره‌ای شده‌اند به طور تجربی کشف شدند . آنها در سال 1982 توسط دانیل شختمن که جایزه نوبل شیمی 2011 را دریافت کرد، . [2] به کشف آن برمی گردد اصطلاح shechtmanite . به صورت ریاضی توصیف شدند این ساختارها اولین بار توسط پیتر کرامر و روبرتو نری در سال 1984 آنها به طور قابل توجهی به توضیح ساختار 1984 نیز . Paul Steinhardt و Dov Levine کمک کردند . خواص فیزیکی ویژه این گروه از مواد با ساختار شبه تناوبی همراه است.
فهرست شبه کریستال
تاریخچه شبه کریستال
در سال 1982، دن شچمن ) در طی تجزیه و تحلیل ساختار بلوری که به سرعت سرد می‌شود آلیاژ آلومینیوم – منگنز (14 درصد منگنز ساختاری غیرعادی را در الگوی پراش ( پرتو ایکس یا پراش الکترون ) ، کشف کرد. این تا به حال گروه نقطه تقارن m 3 5 و در نتیجه تقارن یک ایکوسادرون . این برای مواد کریستالی بسیار غیر معمول است ، زیرا هیچ جابجایی شبکه ای با این تقارن امکان پذیر نیست و بنابراین برای تعریف کریستال ساختار تناوبی وجود ندارد، همانطور که ضروری است.
و روبرتو نری ساخته شدند ایکو وجهی از نظر ریاضی، شبه بلورهای اولین بار در سال 1984 توسط پیتر کرامر . بعداً ساخته شد Dov Levine و Paul Joseph Steinhardt از اصطلاح “شبه بلور” برای این نوع فاز جدید استفاده کردند و داده های یافت شده در طول تجزیه و تحلیل ساختاری را با مدل های ریاضی مقایسه کردند.
یکی از پیشگامان اولیه شبه بلورها، آلن مکی در بریتانیای کبیر بود که در اوایل سال 1962 مقاله ای در مورد بسته بندی های کره ایکوسادرونی (بسته بندی با تقارن پنج برابری) منتشر کرد و در اوایل دهه 1980 از کاشی کاری های پنروز در کریستالوگرافی استفاده کرد با لوین و استاینهارت در سال 2010 . برای این کار او جایزه ماده متراکم الیور ای. باکلی را دریافت کرد .
الگوها در Quasicrystals
در یک کریستال معمولی، اتم ها یا مولکول ها در یک ساختار تناوبی قرار گرفته اند. این ساختار در هر یک از سه جهت فضایی تکرار می شود، درست مانند لانه زنبوری که در دو جهت فضایی تکرار می شود : هر سلول توسط سلول هایی احاطه شده است که یک الگوی یکسان را تشکیل می دهند.
از سوی دیگر، در یک شبه بلور، اتم ها یا مولکول ها فقط به صورت “شبه دوره ای” مرتب شده اند. به طور محلی، اتم ها در یک ساختار منظم قرار دارند (خوشه های اتمی معمولی به ترتیب برد کوتاه ). یک سفارش از راه دور نیز در مقیاس جهانی وجود دارد، اما به دلیل دوره ای بودن، بررسی آن دشوار است. هر سلول توسط یک الگوی متفاوت احاطه شده است.
ساختاری که در ناحیه خاصی از فضا به صورت شبه تناوبی است، اما سپس به صورت دوره ای به عنوان یک واحد ادامه می یابد، تقریبی نامیده می شود. چنین تقریبی‌هایی نقش مهمی در شبیه‌سازی مواد شبه تناوبی دارند.
آنچه در مورد شبه بلورها قابل توجه است این است که آنها پنج، هشت، ده یا دوازده برابری تقارن دارای هستند. [6] در یک کریستال معمولی فقط تقارن های یک، دو، سه، چهار و شش برابر امکان پذیر است. وجود ندارد قبل از کشف شبه بلورها، فرض بر این بود که تقارن پنج برابری هرگز نمی تواند رخ دهد، زیرا امکان پر کردن فضا به صورت دوره ای .
کشف شبه بلورها به بازتعریف آنچه که جوهر کریستال را تشکیل می دهد کمک کرد. شبه بلورها ساختار تناوبی ندارند، اما دارای نقاط پراش تیز هستند. رابطه مهمی بین شبه بلورها و کاشی‌های پنروز وجود دارد که راجر پنروز پیش از کشف شبه بلورها پیدا کرده بود: اگر یک شبه بلور را به درستی برش دهید، سطح برش دقیقاً الگوی کاشی‌کاری پنروز را نشان می‌دهد.
تفسیر هندسی شبه کریستال
یک الگوی تناوبی ( شبکه ) را می توان به طور کامل در یک فاصله معین جابجا کرد، به گونه ای که هر نقطه یا اتم شبکه جابجا شده در یک کریستال، موقعیت دقیق یک نقطه متناظر در الگوی اصلی را بگیرد. چنین تغییری ( ترجمه ) در یک شبکه کریستالی حتی باید در چندین جهت مختلف معمولی امکان پذیر باشد.
در یک الگوی شبه تناوبی، کاملی چنین تغییر موازی از الگو امکان پذیر نیست صرف نظر از اینکه فرد چه فاصله ای را انتخاب می کند، . با این حال، شما می توانید هر بخش را بدون توجه به اندازه آن جابجا کنید تا داشته باشد (احتمالاً پس از یک چرخش ) همخوانی با یک بخش مربوطه .
وجود دارد رابطه بین الگوهای تناوبی و شبه تناوبی . هر الگوی شبه تناوبی از نقاط را می توان از یک الگوی تناوبی با ابعاد بالاتر تشکیل داد: به عنوان مثال، برای ایجاد یک شبه بلور سه بعدی، می توان با یک آرایه تناوبی از نقاط در یک فضای شش بعدی شروع . کرد فضای سه بعدی یک زیرفضای خطی است که فضای شش بعدی را در یک زاویه مشخص قطع می کند. اگر هر نقطه از فضای شش بعدی را که در فاصله معینی از زیرفضای سه بعدی قرار دارد و زاویه یک عدد غیرمنطقی مانند نسبت طلایی را نشان می دهد، به زیرفضا بتابانید، یک الگوی شبه تناوبی به دست می آید .
هر الگوی شبه تناوبی را می توان از این طریق تولید کرد. هر الگویی که از این طریق به دست می آید یا دوره ای است یا شبه دوره ای. این رویکرد هندسی برای تجزیه و تحلیل شبه بلورهای فیزیکی مفید است. در یک کریستال، عیوب شبکه مکان هایی هستند که الگوی تناوبی به هم می خورد. در یک شبه بلور، این مکان‌ها مکان‌هایی هستند که زیرفضای سه‌بعدی با نفوذ به فضای با ابعاد بالاتر خم می‌شوند، تا می‌شوند یا می‌شکنند.
وقوع شبه کریستال
سه بعدی وجود دارند شبه بلورها در بسیاری از سیستم های آلیاژی . اکثر آلیاژهای حاوی شبه بلورها از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند، یعنی فقط می توانند با سرد شدن سریع تشکیل شوند و با گرم کردن مجدد به کریستال های پایدارتر تبدیل شوند. با این حال، تعدادی از آلیاژهای پایدار ترمودینامیکی نیز وجود دارند که ساختاری شبه کریستالی دارند. اینها معمولاً آلیاژهای سه تایی هستند ، یعنی آلیاژهایی با سه عنصر آلیاژی و عناصر آلومینیوم ، روی ، کادمیوم یا تیتانیوم به عنوان جزء اصلی. این آلیاژها – و آنهایی که غلظت “همسایه” دارند – اغلب آمورف هستند (یا در ابتدا قبل از تبلور واقعی بی شکل هستند). بنابراین سیستم های آمورف اغلب در رقابت با شبه بلورها (رقابت فازهای به اصطلاح α و به اصطلاح فازهای i ) هستند.
سیستم های نادر دو عنصری با ساختار شبه بلوری شامل Cd 5.7 Yb، Cd 5.7 Ca در ساختار ایکو وجهی و Ta 1.6 Te در ساختار دوازده وجهی است. از آنجایی که ساختار شبه کریستالی معمولاً فقط در محدوده اختلاط بسیار باریکی از عناصر پایدار است، شبه بلورها را نیز می توان در میان ترکیبات بین فلزی به حساب آورد . [7]
تاکنون شناخته شده است: ایکوزادریت و دکاگونیت [8] شبه بلوری طبیعی دو کانی . اینها آلیاژهای آلومینیوم-مس-آهن یا آلومینیوم-نیکل-آهن هستند که شبه جزیره چوکچی در روسیه یافت شده و از شهاب سنگ خاتیرکا می آیند . [9]
در سال 2021، تیمی به رهبری فیزیکدان پل استاینهارت اعلام کرد که در ترینیتیت ، که در اولین انفجار اتمی در تاریخ ( تست ترینیتی ) در 16 ژوئیه 1945 تشکیل شد، شبه بلورهای ناشناخته قبلی Si 61 Cu 30 Ca توسط یک قطره مسی 7 پوشانده شد. Fe 2 با تقارن پنج برابری. مس از یک کابل الکتریکی استفاده شده در آزمایش می آید. این قدیمی ترین شبه بلورهای انسانی شناخته شده است . [10]
خواص فیزیکی شبه کریستال
شبه بلورها اغلب دارای خواص غیرعادی در مقایسه با فلزات کریستالی هستند. جدول زیر مقایسه تقریبی بین این دو گروه از مواد را نشان می دهد:
| مشخصات | فلزات کریستالی | شبه بلورها |
|---|---|---|
| برقی | – رسانایی بالا- مقاومت با افزایش دما افزایش می یابد | – رسانایی کم- مقاومت با افزایش دما کاهش می یابد |
| حرارتی | بالا – هدایت حرارتی- ظرفیت گرمایی ویژه بزرگ | – هدایت حرارتی کم- ظرفیت گرمایی ویژه کوچک |
| مغناطیسی | – پارامغناطیس یا فرومغناطیسی | – دیامغناطیس |
| نوری | – با نظریه درود قابل نوشتن | – با نظریه درود قابل توصیف نیست |
| به صورت مکانیکی | – کشسان و چکش خوار | – سفت و شکننده |
مخصوصاً رسانایی ویژه کم پ = 50…400 اس / ج متر [11] در شبه بلورهای ایکو وجهی در مقایسه با ترکیبات فلزی، توجه تحقیقات فیزیک حالت جامد را به خود جلب کرده است. اگر چگالی الکترونیکی حالت های شبه بلورها را در نظر بگیریم، آشکار می شود که در انرژی فرمی ( E اف ) فقط چگالی الکترونی کم وجود دارد. همچنین از یک به اصطلاح شبه شکاف یا شبه شکاف (بر اساس شکاف های انرژی واقعی مانند نیمه هادی ها یا عایق ها) چگالی حالت ها صحبت می شود. E اف . این شبه شکاف ها یک ویژگی جهانی شبه بلورها هستند. [12]
علت شبه شکاف ها و در نتیجه خواص حمل و نقل غیرعادی در ایجاد پیوندهای کووالانسی (غیر معمول برای ترکیبات فلزی) نهفته است . [13] [14] [15] در این نوع پیوند، چگالی الکترونیکی بر روی خطوط اتصال بین اتم‌ها تجمع می‌یابد و به شبکه‌ای سفت و غیرمتحرک از چگالی الکترون منجر می‌شود که به انتقال الکترونیکی کمک نمی‌کند.
در مورد سیلیکون کریستالی و کربن در ساختار الماس، این پیوندهای کووالانسی بین تمام اتم های همسایه وجود دارد و بنابراین منجر به خواص نیمه هادی یا عایق بودن این مواد می شود. از آنجایی که شبکه کووالانسی فقط بین اتم های خاصی در شبه بلورها تشکیل می شود، هنوز یک چگالی الکترونی “باقیمانده” در زیرشبکه مکمل وجود دارد که به صورت کووالانسی متصل نیست و می تواند آزادانه به انتقال الکترونیکی کمک کند. این بدان معنی است که هر دو پیوند فلزی و کووالانسی بین اتم ها در شبه بلورها وجود دارد.
تصویر سمت راست سطوح ایزوسطح چگالی الکترون ظرفیت یک AlMn-1/1 تقریبی را نشان می دهد. در اینجا، پیوندهای کووالانسی به شکل “پل بین یون های هسته” به وضوح بین اتم های منگنز دیده می شود.
کشف ارتباطات بین ساختار شبه بلوری و خواص فیزیکی یک فرآیند مداوم از تحقیقات مدرن است. از نقطه نظر تثبیت انرژی، می توان شبکه کووالانسی را از روی الکترون های ظرفیت محاسبه کرد و سعی کرد قوانینی را برای مقدار باقیمانده الکترون های ظرفیتی که برای فلزات نیز استفاده می شود، تنظیم کرد. با پیروی از قوانین ترکیب آلیاژهای فلزی پایدار به نام هیوم-روتری ، تلاش های مختلفی برای ایجاد چنین قوانینی برای شبه بلورهای پایدار نیز صورت گرفته است.
استفاده شبه کریستال
کاربردهای مختلف ترکیبات شبه کریستالی مورد بررسی قرار می گیرد:
- مواد کامپوزیتی که در آنها آلیاژها با ترکیبات شبه کریستالی مخلوط می شوند تا خواص خاصی را بهبود بخشند. را ممکن می سازند شبه بلورهایی که به عنوان مواد افزودنی بسیار قوی ، انعطاف پذیر ، مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر پیری استفاده می شوند، فولاد . از اهمیت ویژه ای برخوردار است برای دستگاه های پزشکی مانند جراحی یا طب سوزنی . [20] را می توان آلیاژهای آلومینیوم خواص با افزودن شبه بلورها، مانند استحکام در دماهای بالا یا تغییر شکل پذیری ، بهبود بخشید . [7]
- شبه کریستالی پوشش های ؛ و پایداری اکسیداسیون آنها باعث سختی کم سایش و چسبندگی کم می شود . جالب است این مورد برای ماهیتابه‌ها ، بنابراین پوشش‌های شبه کریستالی به عنوان جایگزینی برای تابه‌های فولادی ضد زنگ و پلی تترا فلوئورواتیلن پوشش‌های مورد بررسی قرار می‌گیرند. [7]
- در کاتالیز ممکن مورد بررسی قرار می گیرند ، ترکیبات شبه کریستالی به عنوان کاتالیزورهای مانند یک آلیاژ شبه بلوری آلومینیوم-مس-آهن برای اصلاح بخار متانول ، . [7]