تجنح الذرات الأحادية Single Atoms للمواد البلورية Crystalline Materials. الصلبة لأن تقيم علاقات قوية ووثيقة مع شقيقاتها من الذرات المكونة للمادة نفسها وكذلك مع أترابها من ذرات المواد الأخرى.

وتتأتى هذه العلاقات الحميمية نتيجة لما تُبديه ذرات المواد الصلبة من نزعة للقيام بترتيب أنفسها في نظام نموذجي منتظم يُعرف باسم النظام البلوري والذي تصطف فيه الذرات في مواضع فراغية ثابتة تُسمى نقاط الشبكة البلورية Lattice Points. ويكون ذلك الترتيب الذري على هيئة بلورات أحادية من المادة Single Crystals تتبلور في أشكال هندسية منتظمة تنتمى إلى إحدى الفصائل البلورية Crystal Group السبع المعروفة لدينا ⁽⁴⁾ والتي من بينها فصيلة المكعب.

ونستطيع تعريف الشبكة البلورية بأنها الهيكل Skeleton الذي تقوم فيه مجموعة من ذرات المادة باحتلال مواقعها داخله وترتيب أنفسها به وذلك بشكل منتظم ومتكرر⁽⁵⁾، ونادرا ما توجد المواد على هيئة بلورات أحادية، لكنها توجد عادة في صورة بلورات متعددة Polycrystalline تتألف من تجمع عدة بلورات أحادية.

ويوضح الشكل (3 – 1 «أ ») رسما تخطيطيا للشبكة البلورية الخاصة لأحد العناصر التابعة لفصيلة المكعب البسيط والتي فيها ينتظم ترتيب الذرات على نقاط الشبكة مكونة بذلك شكلا هندسيا منتظما تتساوى أبعاد جميع أضلاعه. وإذا ما نظرنا إلى الشكل المذكور، فسوف نلاحظ أن الهيكل الكلي للمكعب يتألف من عدة مكعبات أصغر، يُطلق على ي الواحد منها اسم الخلية الأحادية Unit Cell والتي تتجمع بها كل صفات وسمات وخواص المادة، ومن ثم فهي بمنزلة جينات الخلايا الحية التي تحدد الصفات الوراثية المتعلقة بسمات الكائن الحي. وكما تختلف البصمة الوراثية من إنسان لآخر، فإن مقاييس أبعاد الخلية الأولى للمادة تختلف من مادة واحدة إلى أخرى، بحيث لا توجد مادتان متطابقتان بتلك الصفة على الرغم من وجود هذا الكم الهائل من المواد الطبيعية والصناعية ⁽⁶⁾. ونستطيع التعبير عن مختلف خواص المادة وذلك من خلال تحديد قيمة مقياس أبعاد خليتها الأحادية، حيث يُطلق على هذا البعد مصطلح مُعامل الشبكة البلورية Lattice Parameter. ومن الجدير بالذكر أن المواد الموجودة على شكل هندسي واحد كالمكعب مثلا، وعلى الرغم من اختلاف قيم معاملات شبكاتها، فإنها تتشابه في الصفات والخواص الكيميائية والفيزيائية. هذا وينطبق المفهوم نفسه أيضا على المجموعات الأخرى من الشبكات البلورية التي تترتب فيها الذرات على هيئة أشكال هندسية أخرى منها متوازي المستطيلات والمسدس والمعين.

ويوضح الشكل (3 – 1 «ب») صورة مجسمة مأخوذة بواسطة مؤلف هذا الكتاب

لعينة في أثناء فحصها تحت الميكروسكوب النافذ الإلكتروني عالي الدقة HRTEM والتي تظهر بها الذرات المكونة للمادة المختبرة على هيئة نقاط منتظمة الترتيب حيث تتسق على هيئة أعمدة أو صفوف متوازية ⁽⁷⁾. وإذا ما نظرنا إلى هذا الشكل، فسوف تلاحظ مدى براعة الذرات في تنظيم أنفسها على هيئة صفوف وأعمدة تتساوى المسافات البينية الفاصلة بينها، وتغيب عن ملامحها العشوائية الفوضوية في الترتيب والتنظيم، كما نلاحظ من الشكل عدم حيدان أي ذرة عن هذا الترتيب الذري المحكم.

الشكل (3 – 1): يعرض الشكل (أ) رسما تخطيطيا مجسما محاكيا للشكل الحقيقي المبين في (ب) والذي يعرض الشبكة البلورية لإحدى السبائك الفلزية وعلاقة الذرات بعضها ببعض من حيث الترتيب والمسافات البينية الفاصلة بينها في هيكل الشبكة ومن الشكل تتضح للقارئ الكريم نزعة ذرات العنصر إلى احتلال مواقعها في هيكل الشبكة، وذلك في نقاط منتظمة ومتكررة على طول أعمدة وصفوف المستويات الذرية الأفقية والعمودية المكونة لهيكل الشبكة ومبين في الشكل (أ) المعامل الشبكي وكذلك الخلية الأولى اللذان يعبران عن صفات وخواص المادة المتبلورة تعبيرا كاملا ⁽⁸⁾.

_______________________________
هوامش

(4) قد يجد القارئ الكريم متسعا من الوقت يُمكنه من الاطلاع على تفاصيل النظم البلورية التي توجد عليها المواد، وذلك من خلال تناوله أحد أو كلا المرجعين التاليين:

William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, ISBN0–471–39551, pp. 30–75.

M. Sherif El–Eskandarany, Materials Science: An Introduction, DAR AL–FIKR AL–ARABI, Cairo 1999, ISBN 977–19–9716–5 pp.35–62.

(5) ما لم تحدث أي متغيرات خارجية أو ظروف تشغيل ميكانيكي أو حراري تفوق قدرة تلك الذرات في المحافظة على هذا الترتيب النموذجي.

(6) لولا هذا الاختلاف لما كان في قدرتنا أن نفرق بين مادة وأخرى.

(7) M. Sherif El–Eskandarany, Journal of Nanoparticles, Vol. 2 (2009) 14–22.

(8) تم تصميم وتنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب.