جلسه 8 نانو: چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌کند؟ قسمت اول

در این مقاله ابتدا به تشریح ساختار مواد می‌پردازیم و در این راستا به اطلاعات مورد نیاز جهت شناخت ساختار مواد همچون ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها،پیوندهای شیمیایی و ... اشاره می‌کنیم

و برای فهم بهتر به مقایسه ی الماس و گرافیت می پردازیم اما در قسمت دوم مقاله به ریز ساختار ها و دو مورد از انواع آن پرداخته و در همین راستا به مثال هایی اشاره می کنیم.

مقدمه

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارساناهستند؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌کند و از بعضی دیگر نه؟

سئوالاتی از این دست، ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم، شاید گمان کنیم که تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف، حاصل از تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر، مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی مواد، همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار می‌‌کند. براستی آیا با دانستن ترکیب شیمیایی مواد، خواص آنها معلوم خواهد شد؟

با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آنها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟

برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد،ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ،ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی، نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را، در ویژگی‌های ناشی از این پیوندها، در مواد مختلف می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود؛ زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی درطول ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد،اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟

برای روشن شدن مطلب، مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را، به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد؛ زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد.علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است(شکل 1).لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است؛ نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که نوع این پیوند از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفحات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، استحکام این ساختار، در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری ، به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها است. از سوی دیگر، به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیروی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.

filereader.php?p1=main_5ba889a1cd0b5cbe4

شکل 1- ساختار گرافیت

در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است(شکل 2). در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود، در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

filereader.php?p1=main_3c2782cfaf02ec08c

شکل 2- ساختار الماس

با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد، مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ،ساختار مواد از طریق نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی خواص ، می‌‌توان ساختار را متناسب با آنها طراحی نمود.

منبع :