عیوب بلوری، بهبود یا تخریب مواد؟

مقالهٔ «عیوب بلوری» به این پرسش جدی منتهی شد که آیا اثر عیوب بلوری بر خواص مواد اثری بد و نامطلوب است؟ یا اینکه ممکن است در برخی موارد اثری مثبت و مفید باشد؟ آیا بر هم خوردن نظم موضعی (عیوب بلوری به علت بر هم زدن پیوستگی نظم بلوری، در محلّ عیب، یک بی نظمی محلی ایجاد می‌کنند) همیشه موجب تخریب خواص مطلوب ماده می شود؟ یا اینکه ممکن است خصوصیات جدیدی را در ماده ایجاد کند؟ آیا ممکن است بتوان به نحو مطلوبی از خصوصیات ناشی از عیوب بلوری بهره گرفت؟ آیا نمی توان متناسب با خصوصیت ایجادشدهٔ جدید، کاربردهای جدیدی را برای ماده متصور شد؟
برای پاسخ به پرسش های بالا لازم است به بررسی دقیق تر مواد بپردازیم و عوامل شکل‌دهندهٔ خواص را مرور کنیم. می دانیم که مواد سه حالت اصلی دارند: گاز، مایع و جامد. همچنین می دانیم که خصوصیات کلی و ویژگی های عمومی مواد مربوط به حالتی است که ماده در آن قرار دارد. در حالت گازی، فاصلهٔ مولکول‌ها زیاد و تأثیر مولکول‌ها بر یکدیگر ناچیز و در نتیجه حرکت مولکول‌ها آزادانه و بدون قید است. در حالت مایع، فاصلهٔ مولکول‌ها کمتر، تأثیر آنها بر یکدیگر بیشتر و در نتیجه ماده به داشتن حجم ثابت مقید می‌شود، اما امکان تغییر شکل را از دست نمی‌دهد. در حالت جامد، امکان حرکت مولکول‌ها آن‌قدر محدود می‌شود که تودهٔ ماده نمی‌تواند حتی شکل کلی خود را تغییر دهد.
این تفاوت‌ها ناشی از حالتی است که ماده در آن قرار دارد و می‌تواند بسیاری از خواص آن را تحت تأثیر خود قرار دهد. مثلاً اگر ماده در حالت گازی قرار داشته باشد، مولکول‌ها به علت فاصلهٔ زیادی که از هم دارند، می‌توانند بدون تأثیر پذیرفتن از مولکول‌های مجاور، به صورت مستقل حضور داشته باشند. بنابراین، در این وضعیت ماده حالت مولکولی خواهد داشت و از حضور یون ها در آن خبری نخواهد بود، زیرا یون‌ها همان مولکول‌هایی هستند که در اثر برهمکنش با مولکول‌های مجاور، الکترون‌های خود را از دست داده‌اند یا الکترون‌های اتم‌های مجاورشان را گرفته‌اند. یعنی وقتی مولکول نزدیکی وجود ندارد، احتمال وجود برهمکنش هم نخواهد بود و احتمال تشکیل یون هم منتفی می‌شود. بنابراین، ماده در حالت گازی خصوصیت رسانایی الکتریکی ندارد، زیرا الکترون های آزاد و یون ها که تنها حامل های جریان الکتریکی هستند، در این حالت از ماده وجود ندارند. از طرف دیگر، در حالت گازی انتظار می‌رود ماده رسانای گرما باشد، زیرا شرط رسانایی گرمایی، حرکت ذرات ماده است که در این حالت به علت مقید نبودن ذرات در حالت گازی به وجود می‌آید. این‌گونه پیش بینی خواص را که بر اساس حالات ماده صورت می گیرد، در مورد حالت مایع و جامد هم می‌توان انجام داد و بسیاری از خصوصیات کلی و رفتار عمومی مواد را دسته بندی کرد.
نکتهٔ جالب در این دسته بندی آن است که اثر ترکیب شیمیایی مواد مورد توجه قرار نگرفته‌اند، گویی حالت ماده به‌تنهایی بسیاری از خصوصیات کلی آن را مشخص می کند و این خصوصیات مستقل از ترکیب شیمیایی آن است. حال که ترکیب شیمیایی ماده تأثیر چشمگیری در تعیین خواص کلی مواد ندارد و حالت ماده به‌تنهایی گویای خواص کلی ماده است، این سؤال مطرح می‌شود که در انواع مواد چه چیزی موجب شباهت خواص کلی یک حالت از ماده می شود و چه چیزی خواص ماده را در حالات مختلف، متفاوت می کند؟
پاسخ این پرسش بسیار ساده است. آنچه موجب شباهت خواص کلی همهٔ مواد در یک حالت خاص مانند حالت گازی می شود، وضعیت ذرات نسبت به هم است. این وضعیت «میزان تحرك پذیری» ذرات در هر حالت را تعیین می کند. مواد در حالت گازی تحرک نامحدود دارند. بنابراین، این حالت از ماده، مستقل از نوع ماده، دارای همهٔ خصوصیاتی است که از تحرک پذیر بودن ناشی می شوند. بنابراین، وضعیت قرار گرفتن ذرات ماده در کنار هم، می تواند خواصی را ایجاب یا برخی از ویژگی ها را از ماده سلب کند. وجود عیوب بلوری نیز، نه دقیقاً همانند حالت های ماده، بلکه به شکلی جزئی تر، به وضعیت قرار گرفتن ذرات ماده در کنار هم شکلی خاص می بخشد و از این طریق رفتار ماده را به سمتی که متناسب با وضعیت قرار گرفتن ذرات است می کشاند و موجب می شود تا ماده ویژگی های دیگری را که بعضاً متفاوت از ویژگی های قبلی است از خود نشان دهد. بدیهی است که این تفاوت لزوماً به معنی تخریب خواص ماده نیست. همچنین نمی توان آن را همیشه موجب بهبود خواص دانست. همان‌طور که نمی توان تغییر حالت یک ماده از حالت گاز به مایع را ــ که لزوماً موجب بهبود یا تخریب همهٔ خواص نمی شود ــ یک تغییر مثبت یا منفی دانست، وجود عیوب بلوری را نیز نمی توان عامل تخریب یا بهبود همهٔ خواص ماده به حساب آورد. زیرا همان‌گونه که تغییر حالت ماده برخی از خواص ماده را بهبود می بخشد و برخی را تضعیف می کند، ایجاد عیوب بلوری نیز قادر است برخی از خواص ماده را بهبود دهد و برخی را تضعیف کند. به عنوان مثال، همان‌طور که تغییر حالت ماده ممکن است رسانایی گرمایی را کم و رسانایی الکتریکی را زیاد کند، بلورهای معیوب هم ممکن است نسبت به بلورهای بدون عیب رسانایی گرمایی کمتری داشته باشند، اما رسانایی الکتریکی بیشتری از خود نشان دهند. بنابراین، در پاسخ به این پرسش که آیا عیوب بلوری بر خواص مواد اثر نامطلوب می گذارند یا نه؟ باید گفت که عیوب بلوری برخی از خواص را بهبود می‌دهند و برخی را تضعیف می‌کنند. به عبارت دیگر، گاهی عیوب، نقص محسوب می شوند و گاه به عنوان یک عامل کمک‌کننده ما را در دستیابی به برخی خواص یاری می کنند.
در مقدمه برای توصیف خصوصیات حالت گازی و تفاوتی که این حالت با حالت مایع و جامد دارد به یک نکتهٔ خیلی مهم اشاره کردیم. گفتیم که عامل اصلی تعیین‌کنندهٔ خواص کلی مواد، میزان تحرک اجزای آن است. یعنی میزان تحرک مولکول ها و یون ها در تعیین خواص مواد نقش عمده ای بازی می کند و می تواند به‌تنهایی وضعیت بسیاری از خواص را مشخص سازد. با توجه به این توضیح، به تصویر زیر بیشتر دقت کنید.
یک شبکهٔ بلوری منظم و بی‌عیب با قرار گرفتن منظم یون ها (آنیون ها و کاتیون ها) در کنار یکدیگر تشکیل می شود. با توجه به توضیحات پیشین می خواهیم به عنوان یک عامل تأثیرگذار در خواص ماده، وضعیت تحرک یون ها را در ساختار بلوری کامل (بدون حضور عیوب بلوری) بررسی کنیم. می دانیم که بلورها (غالباً) دارای حالت جامد هستند و در این حالت از ماده تحرک ذرات به صورت حرکت های محدود مانند لرزش و جابه‌جایی های موضعی است. علت عدم امکان حرکت آزاد در این حالت از ماده، فشردگی ساختار و به تبع آن نیروهای قوی بین ذرات است. وجود پیوندهای قوی بین ذرات موجب می شود که ذرات در پیوندهای موجود اسیر گردند و امکان حرکت آزادانه نداشته باشند. بدیهی است که هر چه این پیوندها بیشتر و قوی تر باشد، میزان محدودیت ذرات بیشتر و تحرک آنها کمتر خواهد شد. بنابراین، تعداد و چگونگی پیوند ها در میزان تحرک ذرات نقش اصلی را بازی می کند. با این توضیحات این سؤال مطرح می شود که در یک ساختار منظم و کامل بلوری میزان تحرک ذرات (آنیون ها و کاتیون ها) چگونه است و آیا میزان این تحرک با میزان تحرک بلورهای ناقص (دارای عیوب بلوری) متفاوت است؟
با در نظر گرفتن این نکته که در یک شبکهٔ کامل هر یون در محل خاص خود قرار می گیرد و از طریق پیوندهای مشخص با یون های اطرافش در موضع خود مستقر می شود، می توان نتیجه گرفت که تحرک یون ها در این حالت به کمترین حد خود خواهد رسید، زیرا تمام پیوندهای ممکن در یک شبکهٔ کامل تشکیل می شود و هیچ ظرفیتی برای برقراری پیوند خالی نمی ماند. در مقابل، در یک بلور ناقص به علت اضافه بودن یا کم بودن یک یون (مثلاً کم بودن یک آنیون که معادل است با اضافه بودن یک کاتیون، یا اضافه بودن یک آنیون که متناظر است با کم بودن یک کاتیون) امکان تشکیل تمامی پیوندهای ممکن وجود ندارد و از آنجا که هر پیوند همانند بندی است که یون ها را در محل خود محکم می کند، می توان انتظار داشت که در این حالت (بلور ناقص) میزان حرکت یون ها بیش از حالتی باشد که شبکهٔ بلوری کامل است.
با مقایسهٔ پیوند های موجود در شبکهٔ بلوری کامل و شبکه های بلوری دارای نقص می توان به تفاوت های ناشی از وجود عیوب که به آزادی حرکتی بیشتر یون ها منجر می شود پی برد.
یکی دیگر از سازوکارهایی که موجب می شود تا یون ها در شبکه های بلوری ناقص از تحرک بیشتری برخوردار شوند، ایجاد اعوجاج است. همان‌طور که در مقاله های نقص بلوری به آن اشاره شده است، عیوب بلوری اعم از «جای خالی» ، «بِین‌نشینی» و... به علت بر هم زدن نظم ابعادی شبکه، موجب جمع‌شدگی یا کشیدگی شبکه در محل نقص می شوند. این تغییر وضعیت، پیوند های اطراف اعوجاج را از حالت بهینهٔ خود خارج می‌کند و یون های محل اعوجاج را تحرک بیشتری می‌بخشد. بنابراین، چولگی شبکهٔ بلوری، علت دیگری برای تحرکِ بیشتر یون ها در یک شبکهٔ بلوری ناقص است.

نویسنده: حامد لهراسبی

منبع : باشگاه دانش‌آموزی نانو