چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌‌کند؟

[*مینا*]

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌‌کند؟ قسمت اول

مقدمه
شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آن‌ها محکم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور مي‌تواند از بعضي از مواد عبور ‌کند و از بعضي ديگر نه؟
سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌هاي مواد از نظر خواص مي‌‌کند و ما را در رابطه با علت اين تفاوت‌‌ها، به تفکر بيشتر وادار مي‌‌کند. با اطلاعاتي که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌هاي موجود در عناصر داريم شايد گمان کنيم که تفاوت‌‌‌‌هاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌هاي عناصر تشکيل دهنده آنها است. با اين تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگي‌‌هاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشکيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشکيل دهنده يعني تعيين ترکيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشکار مي‌‌کند. براستي با دانستن ترکيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با کمي دقت و توجه به ترکيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مي‌‌يابيم که بسياري از آنها با وجود اين که در رفتار و خواص با يکديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي يکسان مي‌باشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي متفاوت با يکديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز ترکيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد مي‌‌شود؟
براي جواب اين سئوال لازم است که بيشتر با ساختار و ويژگي‌هاي مواد آشنا شويم.
ساختار مواد چيست؟
ساختار مواد ارتباط بين اتم‌‌ها، يون‌‌ها و مولکول‌‌هاي تشکيل دهنده آن مواد را مشخص مي‌‌کند. براي شناخت ساختار مواد ابتدا بايد به نوع اتصالات بين اتم‌‌ها و يون‌‌ها پي برد. به طور حتم با پيوندهاي شيميايي آشنايي داريد. پيوندهاي شيميايي نحوه اتصال ميان اتم‌‌ها و يون‌‌ها را مشخص مي‌‌کنند. بنابراين تفاوت پيوندهاي شيميايي مختلف را در ويژگي‌هاي اين پيوندها مي‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دليل وجود پيوند يوني که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها مي‌‌شود، خاصيت "رسانايي" مشاهده نمي‌شود زيرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ي بار الکتريکي هستند، به دليل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چيزي براي انتقال بار الکتريکي در ميان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دليل وجود پيوند فلزي که موجب آزادي الکترون‌‌ها مي‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم مي‌‌نمايد، مي‌‌توانيم خاصيت رسانايي را انتظار داشته باشيم. زيرا الکترون‌‌هاي آزاد، امکان انتقال بار الکتريکي را در طول ماده فراهم مي‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پيوندهاي اتمي مي‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آيا تنها با دانستن نوع پيوندها تمامي خواص و رفتار يک ماده را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد؟
براي روشن شدن مطلب مثال معروفي را ارائه مي‌‌کنيم. همانطور که مي‌‌دانيد گرافيت و الماس هر دو از اتم‌‌هاي کربن تشکيل شده‌‌اند و هر دو "ريخت‌‌هاي" مختلفي از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافيت و الماس تا اين حد با يکديگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترين ماده طبيعي معرفي مي‌‌گردد و گرافيت به دليل نرمي بسيار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته مي‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافيت و الماس را به نوع اتصال و پيوند شيميايي اتم‌‌هاي کربن نمي‌‌توان نسبت داد زيرا در هر دو شکل اين ماده - که تنها داراي اتم‌‌هاي کربن است - يک نوع پيوند شيميايي وجود دارد. بلکه علت در "چگونگي اتصالات و پيوندهاي شيميايي" اين دو شکل کربن است. در گرافيت اتم‌‌هاي کربن شش ضلعي‌‌هاي پيوسته‌‌اي شبيه به يک لانه زنبور تشکيل مي‌‌دهند که در يک سطح گسترده شده است. لايه‌‌هاي شش ضلعي ساخته شده با قرار گرفتن روي هم، حجمي را تشکيل مي‌‌دهند که به آن گرافيت مي‌‌گوييم. واضح است که در ساختار گرافيت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: يک نوع اتصال، اتصالي است که بين اتم‌‌هاي کربن هر لايه لانه زنبوري وجود دارد و جنس آن از نوع پيوند کوالانسي است. نوع دوم اتصالي است که لايه‌‌هاي لانه زنبوري را به يکديگر وصل مي‌کند. بديهي است که اين نوع از جنس اتصالات اوليه يعني پيوندهاي اتمي نيست. بنابراين پيوند به هم پيوستگي دوم - که قدرت به هم پيوستگي لايه‌‌ها را مشخص مي‌‌کند - ضعيف‌‌تر از اتصال اوليه که يک پيوند کوالانسي است، خواهد بود. پس مي‌توان انتظار داشت که گرافيت، در جهت صفهات لانه‌زنبوري به دليل داشتن پيوند قوي کووالانسي استحکام بالايي داشته باشد؛ بالعکس، اين ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوري به علت وجود پيوند ضعيف ثانويه بين لايه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، داراي مقاومت است. از طرفي به دليل پيوندهاي ضعيف بين لايه‌‌اي انتظار مي‌‌رود که با اعمال نيرويي بيشتر، لايه‌‌هاي لانه زنبوري بتوانند بر روي يکديگر بلغزند.



http://www.nanoclub.ir/contents/bulk1/01.jpg
شکل 1- ساختار گرافيت


<در مقابل ساختار لايه‌اي گرافيت، الماس داراي يک ساختار شبکه‌اي است. در گرافيت پيوندهاي اوليه يعني پيوندهاي اتمي تنها در يک سطح (در يک وجه) برقرار مي‌‌شود در حالي که در ساختار الماس اين پيوندها به صورت شبکه‌‌اي سه بعدي فضا را پر مي‌‌کنند. در ساختار گرافيت هر اتم کربن با سه اتم کربن ديگر اتصال اتمي از جنس کوالانسي ايجاد مي‌‌کند، در حالي که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن ديگر پيوند اتمي و از جنس کوالانسي برقرار مي‌نمايد.





http://www.nanoclub.ir/contents/bulk1/02.jpg
شکل 2- ساختار الماس


با توضيحاتي که راجع به تفاوت‌‌هاي ساختاري گرافيت و الماس داده شد مشخص مي‌‌گردد که دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور که ديديد ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشکيل دهنده مواد، تاثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد. همچنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود.



نانو کلوب

[*مینا*]

ريزساختار چيست؟
با شناختي که نسبت به ساختار مواد پيدا کرده‌ايد، ممکن است گمان کنيد موادي که ما به صورت توده‌اي در اطراف خود مي‌بينيم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاري اوليه به وجود آمده‌اند. به عبارت ديگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌اي، شکل گسترش يافته ساختار اوليه است و بنابراين تمامي خواص و رفتار ساختار اوليه را دارا خواهد بود. اين تصور با مشاهدات رفتاري مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافيت ما انتظار داريم که استحکام در راستاهاي مختلف متفاوت باشد زيرا ساختار اوليه در جهت صفحات لانه زنبوري داراي استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات داراي استحکام کمي است. بنابراين گرافيت فقط در برخي جهات خاص مي‌بايست "قابليت حرکت لايه‌ها بر روي يکديگر" را داشته باشد. مي‌دانيم که از گرافيت به عنوان ماده اصلي مغز مداد استفاده مي‌شود و اثري که از مداد بر روي کاغذ باقي مي‌ماند در حقيقت لايه‌‌هاي نازک گرافيت است که با مالش نوک مداد بر روي کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روي کاغذ مي‌چسبد و همانطور که پيش‌تر اشاره شد لايه‌هاي گرافيت به دليل پيوند ضعيف ثانويه امکان لغزش و حتي جدا شدن از يکديگر را دارند. حالا سئوال اينجاست که اگر توده گرافيت گسترش همان ساختار اوليه گرافيت باشد، بايد مداد تنها در يک جهت خاص قابليت نوشتن داشته باشد زيرا ساختار گرافيت تنها لغزيدن لايه‌ها بر روي هم و کنده شدن آنها از توده و چسبيدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصي ميسر مي‌سازد و در غير از آن جهات خاص به دليل وجود پيوندهاي قوي درون لايه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. اين تعبير به آن معناست که مداد تنها در برخي جهات خاص مي‌نويسد و در ديگر جهات مداد نخواهد نوشت و اين تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگيري مداد متفاوت و متناقض است زيرا به تجربه دريافته‌ايم که مداد در تمامي جهات مي‌نويسد. ما مداد را در هر زاويه و هر جهتي نسبت به کاغذ حرکت دهيم مداد خواهد نوشت. پس دليل اين تناقض چيست؟ آيا ساختار گرافيت آنگونه که گمان مي‌کنيم نيست؟ و يا اينکه توده گرافيت چيزي غير از گسترش يکنواخت و هماهنگ ساختار گرافيت است؟



http://www.nanoclub.ir/contents/bulk2/01.gif
شکل 1- طرحي ساده از ريزساختار ايده‌آل گرافيت




براي درک درست از رفتار توده‌اي مواد لازم است که با ريزساختار آنها آشنا بشويم. با بررسي ميکروسکوپي گرافيت درمي‌يابيم‌ که توده گرافيت يکپارچه نيست بلکه اين توده متشکل از دانه‌هاي بسياري است که هر يک به صورت مستقل و جدا از يکديگر در درون خود داراي ساختار گرافيت هستند. به عبارت ديگر توده گرافيت را مي‌توان اجتماع بي‌نظمي از بخش‌هايي که هر يک داراي ساختار گرافيت هستند، دانست.





http://www.nanoclub.ir/contents/bulk2/02.gif
شکل 2- طرحي ساده از ريزساختار واقعي گرافيت




تفاوت اين نوع ريزساختار از نوعي که پيش‌تر تصور مي‌کرديم، يعني يک توده گسترده از ساختار گرافيت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافيت را يک ساختار يکپارچه و منظم از ساختار گرافيت که در تمام توده گسترش يافته مي‌دانستيم در اين حالت نظم حاکم بر ساختار، يک نظم با دامنه بلند که تمام توده را مي‌پوشاند در نظر گرفته مي‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافيت به صورت محلي و با دامنه‌هاي کوتاه مشاهده مي‌شود. اين بي‌نظمي در قرار گرفتن توده‌هاي داراي ساختار گرافيت باعث مي‌شود. تنوع و گوناگوني فراواني در بخش‌هاي گرافيت که هر يک زاويه و جهت خاصي دارند، وجود داشته باشد. بنابراين هميشه بخش‌هايي که زاويه و جهت مناسب براي حرکت و کنده شدن لايه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگراني از جهت و زاويه قرار گرفتن مداد مي‌توانيم از نوشتن آن مطمئن شويم.
نتيجه‌گيري
عوامل تاثيرگذار در خواص توده‌اي مواد را به صورت اجمالي و ساده شناختيم. اين عوامل عبارت بودند از عناصر تشکيل دهنده مواد، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به صورتي ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يک شهر بدانيم. عناصر تشکيل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد که چگونگي قرارگرفتن عناصر در کنار يکديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌کند به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار که چگونگي کنار هم قرار گرفتن ساختار ميکروسکوپي را معين مي‌کند، به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته مي‌شود. با اين تشبيه خصوصيات يک شهر نه تنها به مصالح(ترکيب شيميايي بکار رفته در آن) بلکه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازي(ريزساختار) نيز بشدت وابسته خواهد بود.


نانو کلوب