في شبه البلورات ، تم اكتشاف الذرات أو الجزيئات المرتبة بشكل تجريبي. تم اكتشافها في عام 1982 من قبل دانيال شيختمان ، الذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011 . [2] إلى اكتشافه يعود مصطلح شيختمانايت . تم وصف هذه الهياكل رياضيًا لأول مرة بواسطة Peter Kramer و Roberto Neri في عام 1984. كما قاموا بشرح بنية 1984 بشكل كبير أيضًا. ساهم بول شتاينهاردت ودوف ليفين. ترتبط الخصائص الفيزيائية الخاصة لهذه المجموعة من المواد بهيكل شبه دوري.
قائمة البلورات الزائفة
تاريخ البلورات الزائفة
في عام 1982 ، اكتشف Dan Schachman (Dan Schachman) بنية غير عادية في نمط الحيود (الأشعة السينية أو حيود الإلكترون) أثناء تحليل التركيب البلوري لسبائك الألمنيوم والمنغنيز الذي يتم تبريده بسرعة (14٪ Mn). التناظر m 3 5 وبالتالي ، فإن تناظر المجسم العشريني ، وهذا أمر غير مألوف للغاية بالنسبة للمواد البلورية ، حيث لا يمكن حدوث إزاحة شعرية مع هذا التناظر ، وبالتالي لا توجد بنية دورية لتعريف البلورة ، كما هو ضروري .
وصُنع روبرتو نيري بلورات زائفة إيكوهيدرال رياضية لأول مرة في عام 1984 بواسطة بيتر كرامر. في وقت لاحق ، صاغ دوف ليفين وبول جوزيف شتاينهارت مصطلح “شبه بلوري” لهذا النوع الجديد من الطور وقارنا البيانات التي تم العثور عليها أثناء التحليل الهيكلي بالنماذج الرياضية.
كان آلان ماكي من أوائل رواد البلورات الكاذبة في بريطانيا العظمى ، الذي نشر ورقة بحثية عن عبوات كروية عشرية الوجوه (معبأة بتماثل خماسي) في أوائل عام 1962 ، واستخدم أسقف بنروز في علم البلورات في أوائل الثمانينيات. كردي مع ليفين وستينهارت في عام 2010 . لهذا العمل ، حصل على جائزة Oliver E. Condensed Matter. تلقى باكلي.
الأنماط في أشباه البلورات
في البلورة النموذجية ، يتم ترتيب الذرات أو الجزيئات في بنية دورية. تتكرر هذه البنية في كل اتجاه من الاتجاهات المكانية الثلاثة ، تمامًا مثل قرص العسل الذي يتكرر في اتجاهين مكانيين: كل خلية محاطة بخلايا تشكل نمطًا متطابقًا.
من ناحية أخرى ، في شبه البلورة ، يتم ترتيب الذرات أو الجزيئات فقط بطريقة “شبه دورية”. محليًا ، يتم ترتيب الذرات في بنية منتظمة (مجموعات ذرية نموذجية بترتيب قصير المدى). يوجد أمر بعيد أيضًا على نطاق عالمي ، ولكن من الصعب التحقيق فيه بسبب طبيعته الدورية. كل خلية محاطة بنمط مختلف.
يسمى الهيكل شبه الدوري في منطقة معينة من الفضاء ، ولكنه يستمر بشكل دوري كوحدة ، بالتقريب. تلعب هذه التقريبات دورًا مهمًا في محاكاة المواد الدورية الزائفة.
ما يلفت الانتباه حول شبه البلورات هو أن لها تناظرًا بخمسة أو ثمانية أو عشرة أو اثني عشر ضعفًا . [6] في البلورة العادية ، يمكن أن يكون هناك تناظر واحد ، اثنان ، ثلاثة ، أربعة وستة أضعاف. إنه غير موجود قبل اكتشاف البلورات الكاذبة ، كان من المفترض أن التناظر الخماسي لا يمكن أن يحدث أبدًا ، لأنه من الممكن ملء الفراغ بشكل دوري.
ساعد اكتشاف البلورات الكاذبة في إعادة تعريف ما يشكل جوهر الكريستال. لا تحتوي شبه البلورات على بنية دورية ، ولكن لها بقع حيود حادة. هناك علاقة مهمة بين البلورات الكاذبة وبلاطات Penrose اكتشفها روجر بنروز قبل أن يكتشف البلورات الكاذبة: إذا قطعت بلورة كاذبة تمامًا ، فإن السطح المقطوع سيظهر بالضبط نمط تبليط Penrose.
التفسير الهندسي لأشباه البلورات
يمكن إزاحة نمط دوري (شعرية) تمامًا بمسافة معينة ، بحيث تأخذ كل نقطة شعرية أو ذرة نازحة في بلورة الموضع الدقيق للنقطة المقابلة في النمط الأصلي. يجب أن يكون مثل هذا التغيير (الترجمة) في الشبكة البلورية ممكنًا في عدة اتجاهات طبيعية مختلفة.
في نمط شبه دوري ، مثل هذا التغيير المتوازي تمامًا للنمط غير ممكن بغض النظر عن المسافة التي يختارها المرء. ومع ذلك ، يمكنك نقل أي مقطع ، بغض النظر عن حجمه ، لمطابقة (ربما بعد الدوران) مقطع مطابق.
هناك علاقة بين الأنماط الدورية والأنماط الدورية الزائفة. يمكن تشكيل أي نمط دوري كاذب للنقاط من نمط دوري ذي أبعاد أعلى: على سبيل المثال ، لإنشاء بلورة كاذبة ثلاثية الأبعاد ، يمكن للمرء أن يبدأ بمصفوفة دورية من النقاط في مساحة سداسية الأبعاد. الفضاء الكردي ثلاثي الأبعاد هو فضاء جزئي خطي يتقاطع مع مساحة 6D بزاوية معينة. إذا قمت بتألق أي نقطة من الفضاء سداسي الأبعاد على مسافة معينة من الفضاء الجزئي ثلاثي الأبعاد وأظهرت زاوية لعدد غير نسبي مثل النسبة الذهبية ، فسيتم الحصول على نمط شبه دوري.
يمكن إنتاج أي نمط شبه دوري بهذه الطريقة. أي نمط يتم الحصول عليه بهذه الطريقة يكون إما دوريًا أو شبه دوري. هذا النهج الهندسي مفيد لتحليل البلورات الكاذبة الفيزيائية. في البلورة ، عيوب الشبكة هي الأماكن التي ينكسر فيها النمط الدوري. في البلورة الزائفة ، هذه هي الأماكن التي ينحني فيها الفضاء الجزئي ثلاثي الأبعاد أو يطوي أو ينكسر عندما يخترق الفضاء ذي الأبعاد الأعلى.
حدوث بلورات زائفة
توجد شبه بلورات ثلاثية الأبعاد في العديد من أنظمة السبائك. معظم السبائك التي تحتوي على بلورات زائفة غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا ، أي أنها لا يمكن أن تتشكل إلا عن طريق التبريد السريع وتتحول إلى بلورات أكثر استقرارًا عن طريق إعادة التسخين. ومع ذلك ، هناك أيضًا عدد من السبائك المستقرة ديناميكيًا والتي لها هيكل شبه بلوري. عادة ما تكون هذه سبائك ثلاثية ، أي سبائك بها ثلاثة عناصر مسبوكة وعناصر الألومنيوم والزنك والكادميوم أو التيتانيوم كمكون رئيسي. غالبًا ما تكون هذه السبائك – وتلك ذات التركيز “المجاور” غير متبلورة (أو غير متبلورة في البداية قبل التبلور الفعلي). لذلك ، غالبًا ما تكون الأنظمة غير المتبلورة في منافسة مع شبه البلورات (منافسة ما يسمى بمراحل α وما يسمى بالمراحل i ).
تشتمل الأنظمة النادرة المكونة من عنصرين ذات البنية شبه البلورية على Cd 5.7 Yb و Cd 5.7 Ca في هيكل إيكوهيدرال و Ta 1.6 Te في هيكل ثنائي السطح. نظرًا لأن التركيب شبه البلوري يكون عادةً مستقرًا فقط ضمن نطاق ضيق جدًا من خلط العناصر ، يمكن أيضًا حساب شبه البلورات بين المركبات المعدنية. [7]
وهي معروفة حتى الآن: إيكوسادريت وعشاري الأضلاع [8] بلورات زائفة طبيعية من معدنين. هذه هي سبائك الألومنيوم والنحاس والحديد أو سبائك الألومنيوم والنيكل والحديد الموجودة في شبه جزيرة تشوكشي في روسيا وتأتي من نيزك خاتيركا. [9]
في عام 2021 ، أعلن فريق بقيادة الفيزيائي Paul Steinhardt أنه في Trinity ، الذي تشكل خلال أول انفجار ذري في التاريخ (اختبار Trinity) في 16 يوليو 1945 ، تمت تغطية البلورات الكاذبة غير المعروفة سابقًا لـ Si 61 Cu من بقطيرة Ca 30 النحاس 7 . Fe 2 مع تناظر خماسي. يأتي النحاس من كابل كهربائي مستخدم في التجربة. هذا هو أقدم بلورة بشرية معروفة. [10]
الخصائص الفيزيائية لأشباه البلورات
غالبًا ما يكون لأشباه البلورات خصائص غير عادية مقارنة بالمعادن البلورية. يوضح الجدول التالي مقارنة تقريبية بين هاتين المجموعتين من المواد:
| تحديد | معادن بلورية | بلورات زائفة |
|---|---|---|
| كهربائي | – الموصلية العالية – تزداد المقاومة مع زيادة درجة الحرارة | – الموصلية المنخفضة – تقل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة |
| حراري | الموصلية الحرارية العالية – السعة الحرارية النوعية الكبيرة | – الموصلية الحرارية المنخفضة – سعة حرارية صغيرة محددة |
| مغناطيسي | – مغناطيسية أو مغناطيسية | – نفاذية المغناطيسية |
| مشتعل | – يكتب بنظرية التحية | – لا يمكن وصفه بنظرية التحية |
| ميكانيكيا | – مرن وقابل للطرق | – صعب وهش |
الموصلية النوعية المنخفضة بشكل خاص = 50 … 400 ثانية / ج [11] بالمقارنة مع المركبات المعدنية ، فقد جذبت انتباه أبحاث فيزياء الحالة الصلبة في البلورات الكاذبة متساوية السطوح. إذا أخذنا في الاعتبار الكثافة الإلكترونية لحالات شبه البلورات ، يصبح من الواضح أنه في طاقة Fermi ( E f ) هناك كثافة إلكترون منخفضة فقط. كما يتحدث عن ما يسمى بكثافة شبه فجوة أو شبه فجوة (بناءً على فجوات طاقة حقيقية مثل أشباه الموصلات أو العوازل). هـ و . هذه الشقوق شبه هي سمة عالمية لأشباه البلورات. [12]
يكمن سبب الزائفة الزائفة وبالتالي خصائص النقل غير العادية في تكوين روابط تساهمية (غير معتادة بالنسبة للمركبات المعدنية). [13] [14] [15] في هذا النوع من الترابط ، تتراكم كثافة الإلكترون على خطوط الترابط بين الذرات ، مما يؤدي إلى شبكة صلبة وغير متحركة من كثافة الإلكترون لا تسهل نقل الإلكترون.
في حالة السيليكون البلوري والكربون في الهيكل الماسي ، توجد هذه الروابط التساهمية بين جميع الذرات المجاورة وبالتالي تؤدي إلى خصائص شبه موصلة أو عازلة لهذه المواد. نظرًا لأن الشبكة التساهمية تتشكل فقط بين ذرات معينة في أشباه البلورات ، فلا تزال هناك كثافة إلكترون “متبقية” في الشبكة الفرعية التكميلية غير المرتبطة تساهميًا ويمكن أن تساهم بحرية في النقل الإلكتروني. هذا يعني أن هناك روابط معدنية وتساهمية بين الذرات في أشباه البلورات.
تُظهر الصورة على اليمين كثافة تساوي إلكترون التكافؤ لأسطح AlMn-1/1 التقريبية. هنا ، تظهر الروابط التساهمية على شكل “جسور بين أيونات النواة” بوضوح بين ذرات المنغنيز.
يعد اكتشاف الروابط بين البنية شبه البلورية والخصائص الفيزيائية عملية مستمرة للبحث الحديث. من وجهة نظر استقرار الطاقة ، يمكن حساب الشبكة التساهمية من إلكترونات التكافؤ ومحاولة وضع قواعد للقيمة المتبقية لإلكترونات التكافؤ التي تُستخدم أيضًا للمعادن. باتباع قواعد تكوين السبائك المعدنية المستقرة المسماة Hume-Routery ، تم إجراء محاولات مختلفة لإنشاء مثل هذه القواعد لشبه البلورات المستقرة أيضًا.
استخدام البلورات الزائفة
يتم دراسة التطبيقات المختلفة للمركبات شبه البلورية:
- المواد المركبة التي يتم فيها خلط السبائك بمركبات شبه بلورية لتحسين خصائص معينة. إتاحة البلورات الزائفة المستخدمة كإضافات فولاذية قوية ومرنة ومقاومة للتآكل ومقاومة للشيخوخة. إنه مهم بشكل خاص للأجهزة الطبية مثل الجراحة أو الوخز بالإبر. [20] يمكن تحسين خصائص سبائك الألومنيوم عن طريق إضافة شبه بلورات ، مثل القوة في درجات الحرارة العالية أو القابلية للتشوه. [7]
- الطلاءات شبه البلورية. كما أن استقرارها في الأكسدة يؤدي إلى صلابة تآكل منخفضة وقلة التصاق. الطلاءات شبه البلورية كبديل لأحواض الفولاذ المقاوم للصدأ وطلاءات polytetrafluoroethylene ومن المثير للاهتمام ، أن هذا هو الحال بالنسبة للأحواض ، لذلك يتم فحص . [7]
- في التحفيز المحتمل ، يتم فحص المركبات شبه البلورية كمحفزات مثل سبائك الألومنيوم والنحاس والحديد شبه المتبلورة لإعادة تشكيل بخار الميثانول. [7]