Kristallstruktuur: aatomite paigutus, sümmeetria ja füüsikalised omadused

Kristallstruktuur: aatomite paigutus ja sümmeetria, mis määravad lõhustuse, elektrijuhtivuse ja optilised omadused. Sissevaade kristallograafiasse.

Kristallograafias on kristallstruktuur see, kuidas aatomid (või ioonid või molekulid) on kristallilises materjalis paigutatud. Kristallid tekivad looduslikult sellest, kuidas aatomite keemilised sidemed üksteisega seotud on. Kristallis tekivad 3-D ruumis sümmeetrilised korduvad mustrid, mida kirjeldatakse matemaatiliselt võre- (lattice) ja üksusruumi (unit cell) mõistetega. Üksusruum sisaldab tavaliselt väikest arvu aatomeid, mis koos moodustavad kogu kristalli korduva üksuse.

Võre, üksusruum ja baas

Võre ehk kristallvõre on matemaatiline punktivõre, mis kirjeldab korduvat sümmeetriat. Üksusruum on kõige väiksem ruumiline parameeter, mis koos võrepunkti(t)e juures paikneva(a) aatomite, ioonide või molekulide baasiga kordub, et moodustada terve kristall. Olulised mõisted:

• Bravais-võred — 14 erinevat kolme‑dimensioonilist võre tüüpi, mis kirjeldavad kõiki võimalikkuid regulaarselt korduvaid punktivõresid.
• Kristallsüsteemid — 7 peamist sümmeetrigruppi (kuup, tetragonaalne, oktaagonaalne, ortorombiline, monokliinne, trikliinne ja trigonaalne/romboedriline), mis põhinevad üksusruumi mõõtmetel ja nurkadel.
• Koordinaar‑number — mitu lähimat naaberaatomit iga aatomi ümber; mõjutab osaliselt materjali tihedust ja mehaanilisi omadusi.

Sümmeetria ja ruumigrupid

Kristallide sümmeetriat kirjeldatakse sümmeetriaelementide abil — pöördeaknellikud teljed, peegeldustasandid, inversioonikeskmed ja pöördenaaber‑(screw) ning nihketeljed. Kombineerides võre sümmeetriat baasiga, leitakse ruumigrupid; neid on teada kokku 230 erinevat kolme‑dimensioonilist ruumigruppi. Ruumigrupp määrab suuresti, milliseid füüsikalisi omadusi kristall võib omada (näiteks kas see võib olla piezoelektriline või mitte).

Füüsikalised omadused ja anisotroopia

Kristalli struktuur ja sümmeetria mõjutavad otseselt mitmeid makroskoopilisi omadusi:

• Lõhustus (cleavage) — kristallid kipuvad lõhenema mööda spetsiifilisi kristallograafilisi tasandeid, kus sidemed on nõrgemad. See määrab kristalli lõikepinna ja fraktsiooni kujunemise.
• Elektrijuhtivus — metallide korral (nt FCC või BCC struktuur) määrab elektronide liikumine juhtivuse; pooljuhtidel sõltub juhtivus kristallide defektidest ja dopingu tasemest.
• Optilised omadused — anistroopsus põhjustab valguse erisuse suundades (näiteks kaksikmurdumine ehk birefringentsus). Sümmeetria määrab, kas kristall võib olla optiliselt isotoopne või anisootne.
• Piezoelektrilisus ja ferroelettrilisus — nõuab teatud sümmeetria puudumist; kasulikud sensoreis ja aktuaatorites.
• Mehaanilised omadused — elastsus, kõvadus ja plastilisus sõltuvad tihedusest, sidemetüübist ja kristallide vahelisest orientatsioonist (graniidi suundumised).
• Tihedus ja ruumitäitumus — eri struktuurid mahutavad erinevalt palju aatomeid ruumiyksusesse (nt FCC-l suurem ruumitäitumus kui BCC), mis mõjutab massi ja tihedust.

Struktuuri tüübid ja näited

Kõige levinumad kristallistruktuurid metallide ja lihtainete hulgas on:

• FCC (face-centred cubic) — näiteks Al, Cu, Au; kõrge ruumitäitumus ja hea plastilisus.
• BCC (body-centred cubic) — näiteks Fe (teatud temperatuuridel), Cr; erinev plastilisus ja tugevus võrreldes FCC-ga.
• HCP (hexagonal close-packed) — näiteks Mg, Ti; anistroopsem deformatsioon käitumine.

Naatriumkloriid on tuntud näide, mille kristallkuju on kuup (rocksalt struktuur). Vasesulfaat on mainitud kui trikliinne (triclinic) kristall, mis illustreerib, et mõned ühendid moodustavad madalama sümmeetria ja keerukama üksusruumiga struktuure.

Struktuuri määramine

Kristallstruktuure uuritakse ja määratakse peamiselt järgnevate meetoditega:

• X‑kiirte difraktsioon (XRD) — kõige levinum tehnika, mis annab infot üksusruumi parameetrite, ruumigrupi ja aatomite asukohtade kohta.
• Elektron‑difraktsioon ja TEM — võimaldavad määrata lokaalseid struktuure ja defekte väiksemal mõõtkaval.
• Neutronidifraktsioon — eriti kasulik kergete elementide (nt H) positsioonide määramiseks ja magnetiliste momentide uurimiseks.

Defektid, polümorfism ja materjalide tööstuslik tähtsus

Kõik reaalsed kristallid sisaldavad defekte — punktdefekte (tühikuid, interstitiaalseid aatomeid), joonestruktuure (dislokatsioonid), pindade ja graniidipiiride efekte. Need defektid mõjutavad transporti, tugevust ja reaktiivsust. Lisaks esineb polümorfismi — sama keemilise koostise eri kristallstruktuurid (nt grafiit vs. teemant), mis annavad materjalidele väga erinevaid omadusi.

Kõiki neid teadmisi rakendatakse materjaliteaduses ja tehnoloogias: valdkondades nagu pooljuhtide tootmine, keraamika ja katalüsaatorite disain, metallide töötlemine ja sünteetiliste kristallide kasvatamine optiliste või piezoelektriliste omaduste saavutamiseks.

Kokkuvõte

Kristallstruktuur on aatomite paigutuse ja sümmeetria kombinatsioon, mis määrab paljude tahkiste füüsikalised ja keemilised omadused. Mõistes üksusruumi, võresid, ruumigruppe ja defekte, on võimalik ennustada ja kujundada materjalide käitumist eri rakendustes. Meetodid nagu X‑kiirte difraktsioon ja elektronmikroskoopia võimaldavad struktuuri täpset teaduslikku kirjeldust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kristallograafia?

K: Mis on kristallstruktuur?

K: Kuidas tekivad kristallid looduses?

K: Milliseid füüsikalisi omadusi mõjutab materjali kristallstruktuur?

K: Milline on kristalli kuju molekulaarsel tasandil?

K: Kas kristallid võivad olla erineva kujuga?

K: Mis on ühikraku?

Otsing