نقص بلوری چیست؟

«ریز ساختار چیست؟» در مورد عدم یک پارچگی نظم شبکه بلوری در موادی که به صورت توده ای در اطراف مان وجود دارند گفتیم که نظم ساختار مواد، تنها در قسمت هایی مستقل و کوچک مشاهده می شود که به صورت کاملا نا منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند و تود‌‌‌‌ه ماده را شکل می دهند. برای به یاد آوردن این موضوع می توانید به شکل 1 مراجعه کنید: 

همانطور که در شکل بالا دیده می شود، هر رنگ نشان دهنده قسمتی از ماده است که دارای ساختار منظم می باشد و این نظم درکل توده حفظ نشده است ؛ هر یک از این قسمت های منظم را «دانه» می نامیم.
پس از این مقدمه مختصرـ که مروری بر بحث ریزساختار و اهمیت آن در تعیین خواص مواد بود ـ این پرسش جدی مطرح می شود که آیا نظم اتم ها و یون ها در هر دانه ـ که بر اساس ساختار ماده شکل می گیردـ نظمی کامل و بدون نقص است یا این که ممکن است در هر کدام از این دانه ها نیز کاستی هایی وجود داشته باشد؟!
در پاسخ باید گفت که: بله! در شبکه بلوری این دانه ها هم نقص هایی دیده می شود!
شاید بخواهید بدانید که نقص بلوری چیست؟
نقص بلوری عبارتست از بی نظمی اتم ها و یون ها در شبکه بلوری مواد. این بی نظمی به صورت فقدان اتم ها و یون ها در محل و موقعیت خود و یا به صورت قرار گرفتن اتم ها و یون ها در مکانی غیر از جایگاه اصلی خود، دیده می شود.
به عبارت ساده تر گاهی اتم ها و یون ها در جایی که باید باشند، نیستند و در جایی که نباید باشند دیده می شوند.
حال ممکن است این سوال مطرح شود که: مگر ادعا نکردیم در هر دانه (هر کدام از بخش های رنگی شکل 1) یک شبکه بلوری منظم وجود دارد. پس با توجه به اینکه نقص های بلوری از نوعی بی نظمی در شبکه بلوری حکایت می کنند، رابط‌‌‌‌ه نظم موجود در هر دانه با بی نظمی حاصل از نقص های بلوری چگونه خواهد بود؟ آیا بی نظمی ناشی از نقص بلوری نظم شبکه بلوری دانه را برهم نمی زند؟
در پاسخ به پرسش فوق این نکته را باید دانست که نظم موجود در یک دانه نظمی کلی است که تمامی وسعت آن را در بر می گیرد، در حالی که بی نظمی های حاصل از نقص های بلوری، جزئی است و در یک محدود‌‌‌‌ه کوچک نظم را از بین می برد. بنابراین در یک دانه یک نظم کلی وجود دارد که به موجب عیوب و نقص های بلوری، بی نظمی هایی در برخی از نقاط آن ایجاد شده است. پس این بی نظمی های جزئی نمی تواند ناقض نظم کلی یک دانه شود.
حال برای این که تصور بهتر و دقیق تری نسبت به عیب ها وکاستی های شبکه بلوری مواد پیدا کنید به معرفی برخی از آنها می پردازیم. اگر کره های قرمز رنگ را به عنوان یون های مثبت (کاتیون) و کره های آبی رنگ را به عنوان یون های منفی(آنیون) فرض کنیم یک شبکه بلوری بدون عیب و کامل به صورت شکل 2 خواهیم داشت:

 

شکل 2-طرحی ساده از یک شبکه بلوری کامل و بدون نقص

نقص های شبکه بلوری بیشتر به صورت خارج شدن یون ها از محل خود بروز می کنند که در تصاویر زیر می توانیم دو نمونه از آنها را مشاهده کنیم؛ این نقص ها را اصطلاحا نقص «جای خالی» می نامند. 

شکل 3- طرحی ساده از نقص جای خالی کاتیونی

شکل 3 نشان دهنده عدم وجود یک یون مثبت یا کاتیون در محل خود است. اگر شکل 3 را شبکه بلوری نمک طعام (NaCl) در نظر بگیریم (به عنوان مثال) ، نقص موجود در آن به صورت نبود یک یون مثبت سدیم (⁺Na) در جای خود دیده می شود ،یعنی یکی از یون های سدیم در محلی که می باید باشد، نیست. این نوع نقص شبکه بلوری که در اثر نبود یون مثبت در جای خود به وجود آمده است «جای خالی کاتیونی» نامیده می شود. 

شکل 4- طرحی ساده از نقص جای خالی آنیونی

شکل 4 نمایانگر عدم وجود یک یون منفی یا آنیون در جای خود است. اگر شکل 4 را هم شبکه بلوری نمک طعام(NaCl) در نظر بگیریم نقص نشان داده شده در آن به معنای نبود یک یون منفی کلر(^-Cl) در جای خود است. این نقص شبکه بلوری که حاصلِ نبود یک یون منفی در مکان خود است به «جای خالی آنیونی» شهرت دارد.
اکنون با توجه به آشنایی مختصری که با ساده ترین نقص شبکه بلوری یعنی نقص جای خالی پیدا کرده اید ممکن است از خود بپرسید که منشاء پیدایش این کاستی ها چیست؟
دو شاخه از علم به بررسی امکان و عوامل ایجاد کنند‌‌‌‌ه این نقص ها می پردازد که به اختصار آنها را معرفی می کنیم:
شاخه اول «علم ترمودینامیک» است که با تحلیل مقتضیات ترمودینامیکی شبکه های بلوری به امکان یا عدم امکان ایجاد چنین نقص هایی در آن ها می پردازد.
علم ترمودینامیک با بررسی فیزیک اتم ها و یون ها در شبکه های بلوری، به ما می گوید که شبکه های بلوری به صورت ذاتی مایل به داشتن این کاستی ها در ساختار خود هستند یا نه؛ زیرا با ایجاد نواقص، انرژی شبکه بلوری کاهش و پایداری آن افزایش می یابد. این تفسیر به ما می گوید که نقص ها به طور طبیعی در مواد وجود خواهند داشت.
شاخه دوم، «علم کینتیک» است.
علم کینتیک شرایط مورد نیاز برای به وجود آمدن چنین نقص هایی را بررسی می کند. درست است که علم ترمودینامیک امکان اتفاق افتادن این نواقص را مشخص می سازد، اما مسلما برای ایجاد آنها شرایط ویژه ای لازم است که باید تامین گردد. علم کینتیک به ما می گوید که با ایجاد چه تغییراتی در شرایط می توانیم امکان ایجاد این کاستی ها را تقویت کرده و یا آن را تضعیف کنیم. علم کینتیک با بررسی فرآیندِ تشکیلِ نواقص، به شناسایی عوامل تاثیرگذار و میزان اثرگذاری آنها می پردازد.
این علم دو عامل را به عنوان عوامل اصلی موثر در ایجاد کاستی ها معرفی می کند که عبارتند از: «دما» و «زمان».
با افزایش دما امکان ایجاد نواقص در شبکه بلوری افزایش می یابد ،بنابراین در دماهای پایین تر شاهد نقص های کمتری در شبکه بلوری مواد خواهیم بود.
برای توصیف اثر زمان لازم است کمی بیشتر با فرآیند تشکیل بلور آشنا شویم. در فرآیندهای سنتی ساخت مواد ـ که به فرآیندهای «ساختن بالا به پایین» شهرت دارد ـ عموما تشکیل بلور بر پایه فرآیند انجماد صورت می گیرد، به صورتی که ماده در حالت مایع، ـ که فاقد نظم بلوری است ـ سرد می شود. با ادامه سرد شدن و نزدیک شدن به دمای انجماد، اتم ها و یون ها در کنار یکدیگر قرار گرفته و یک شبکه بلوری منظم را شکل می دهند. در دماهای بالاتر از نقطه انجماد اتم ها و یون ها امکان حرکت و جابجایی دارند، هر چقدر به نقط‌‌‌‌ه انجماد نزدیک تر شویم از این تحرک کاسته می شود. زمانی که دما از نقط‌‌‌‌ه انجماد می گذرد و کمتر از آن می شود، اتم ها و یون ها تحرک لازم برای جابجایی را از دست داده و بنابراین در محل خود ثابت می شوند.
با توصیف بالا از فرآیند انجماد و تشکیل شبکه منظم بلوری دیدیم که تنها زمان ممکن برای تشکیل بلور زمانی است که دما از حدود بالایی نقطه انجماد به زیر نقطه انجماد می رسد. در این زمان اتم ها و یون ها می بایست از محل خود جابجا شده و به شکلی منظم در کنار یکدیگر قرار بگیرند. بدیهی است که این جابجایی به یک حداقل زمانی نیاز دارد وگرنه اتم ها و یون ها فرصت قرار گرفتن در جای مناسب خود را نمی یابند و تمامی محل های لازم برای کامل شدن شبکه بلوری را پر کنند. بنابراین کوتاه شدن زمان انجماد می تواند به نقص شبکه بلوری و طولانی شدن آن می تواند به شکل گیری کامل تر شبکه بلوری کمک نماید.
اما به راستی چه چیزی این زمان را کنترل می کند؟
همانطور که پیش تر گفتیم این زمان چیزی بجز فاصله تغییر دما از دمای بالای نقط‌‌‌‌ه انجماد به دمایی پایین تر از این نقطه نیست. بنابراین عاملی که این زمان را کوتاه و یا طولانی می کند «سرعت تغییر دما» است یعنی اینکه اگر ما ماده را از حالت مایع به آهستگی سرد کنیم زمان بیشتری طول خواهد کشید تا به دمای پایینتر از نقطه انجماد برسیم، بنابراین اتم ها و یون ها این فرصت را خواهند یافت که در محل مناسب خود قرار بگیرند و تمامی موقعیت های لازم را پر کنند. بر عکس اگر مایع را به سرعت سرد کنیم دما سریعا به دمای زیر نقط‌‌‌‌ه انجماد خواهد رسید و در نتیجه اتم ها و یون ها تحرک خود را فورا از دست خواهند داد و فرصت کافی برای جا به جا شدن و نشستن در محل های مناسب را نخواهند داشت ؛ بدیهی است که این کار موجب ایجاد نقص بیشتر در شبکه بلوری خواهد شد.
آیا انجماد سریع تنها دلیل ایجاد و تقویت نقص بلوری است و یا اینکه عوامل دیگری نیز می توانند منجر به ایجاد آن شوند؟
پیش از پاسخ به این پرسش باید به این نکته دقت کرد که نواقص بلوری از نظر زمان ایجاد به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
دسته اول اشکالاتی است که در زمان ایجاد بلور یعنی در زمان انجماد شکل می گیرد و دسته دوم پس از تشکیل بلور یعنی پس از زمان انجماد در شبکه بلوری به وجود می آید. این نواقص می تواند ساعت ها و یا سال ها بعد از انجماد و تشکیل بلور در شبکه بلوری ایجاد شود.
دسته نخست که نواقص زمان انجماد می باشند عمدتا از طریق انجماد سریع و یکنواخت نبودن مایع در حال انجماد حاصل می شوند البته عوامل دیگری نیز در ایجاد کاستی های ناشی از زمان انجماد موثر هستند اما عامل اصلی همان کاهش سریع دما است.
در بررسی دسته دوم یعنی نواقص پس از انجماد لازم است کمی به فرآیند ایجاد نقص در شبکه بلوری فکر کنیم.
فرض کنید که می خواهیم یک نقص جای خالی در شبکه بلوری ایجاد کنیم، برای این کار لازم است که یک اتم یا یون را از محل خود خارج نماییم؛ از طرفی می دانیم که دلیل حرکت آزادانه اتم ها و یون ها در حالت مایع، وجود انرژی جنبشی زیاد (به دلیل دمای بالاتر) در آنها می باشد، همچنین می دانیم که اتم ها و یون ها حتی در حالت جامد نیز دارای حرکت هستند. (البته این حرکات عموما به صورت ارتعاش در محل خود و گاهی به شکل جابجایی های محدود است که با آزادی حرکت اتم ها و یون ها در حالت مایع قابل مقایسه نیست.) اما این حرکت برای کنده شدن یک اتم یا یون کافی نیست؛ پس می توان گفت برای این کار کافی است که انرژی لازم برای حرکت ذره مورد نظر را فراهم کنیم. با فراهم شدن انرژی لازم، اتم ها و یون های گیرند‌‌‌‌ه انرژی امکان خارج شدن از محل خود را خواهند داشت.
با توجه به توضیحات فوق در می یابیم که نواقص پس از انجماد از طریق قرار گرفتن شبکه بلوری در معرض انرژی کافی به وجود می آید. این انرژی می تواند از طریق گرم شدن، کار مکانیکی (مانند کشیدن، فشردن، خم کردن و ... )، قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطیس (نور، اشعه ماوراء بنفش، پرتوهای ایکس، اشعه گاما و ... ) و پرتوهای پر انرژی (الکترونی، نوترونی و ...) تامین گردد.