علم البلورات

الموسوعة الحرة
صورة لمادة صلبة بلورية بدقة ذرية لتيتانات السترونشيوم . البقع الأكثر سطوعًا هي أعمدة من ذرات السترونشيوم والبقع الأكثر قتامة هي أعمدة من التيتانيوم والأكسجين .
المواقع الخلالية ثماني السطوح ورباعي السطوح في بنية مكعبية مركزية الوجه
خطوط كيكوتشي في نمط حيود التشتت الخلفي للإلكترونات في السيليكون أحادي البلورة، تم التقاطها عند 20 كيلو فولت مع مصدر انبعاث إلكتروني مجالي

علم البلورات هو فرع من فروع العلم مخصص لدراسة البنية الجزيئية والبلورية وخصائصها. [1] كلمة علم البلورات مشتقة من الكلمة اليونانية القديمة κρύσταλλος ( krústallos ؛ "الجليد الصافي، بلورة الصخور")، و γράφειν ( gráphein ؛ "الكتابة"). [2] في يوليو 2012، اعترفت الأمم المتحدة بأهمية علم البلورات بإعلان عام 2014 السنة الدولية لعلم البلورات. [3]

علم البلورات هو موضوع واسع، والعديد من مجالاته الفرعية، مثل علم البلورات بالأشعة السينية ، هي في حد ذاتها مواضيع علمية مهمة. يتراوح علم البلورات من أساسيات بنية البلورات إلى رياضيات هندسة البلورات ، بما في ذلك تلك التي ليست دورية أو شبه بلورات . على المستوى الذري، يمكن أن ينطوي على استخدام حيود الأشعة السينية لإنتاج بيانات تجريبية يمكن لأدوات علم البلورات بالأشعة السينية تحويلها إلى مواضع مفصلة للذرات، وأحيانًا كثافة الإلكترون. على نطاقات أكبر، يشمل أدوات تجريبية مثل التصوير التوجيهي لفحص التوجهات النسبية عند حدود الحبوب في المواد. يلعب علم البلورات دورًا رئيسيًا في العديد من مجالات علم الأحياء والكيمياء والفيزياء، بالإضافة إلى التطورات الجديدة في هذه المجالات.

التاريخ والجدول الزمني

قبل القرن العشرين، كانت دراسة البلورات تعتمد على القياسات الفيزيائية لهندستها باستخدام مقياس الزوايا . [4] وشمل ذلك قياس زوايا وجوه البلورة بالنسبة لبعضها البعض وبالنسبة للمحاور المرجعية النظرية (المحاور البلورية)، وتحديد تناسق البلورة المعنية. يتم رسم الموضع في الفضاء ثلاثي الأبعاد لكل وجه بلوري على شبكة مجسمة مثل شبكة وولف أو شبكة لامبرت . يتم رسم القطب لكل وجه على الشبكة. يتم تمييز كل نقطة بمؤشر ميلر الخاص بها . يسمح الرسم النهائي بتحديد تناسق البلورة. [5] [6]

مكّن اكتشاف الأشعة السينية والإلكترونات في العقد الأخير من القرن التاسع عشر من تحديد الهياكل البلورية على المستوى الذري، مما أدى إلى ظهور العصر الحديث لعلم البلورات. أجريت أول تجربة حيود للأشعة السينية في عام 1912 بواسطة ماكس فون لاو ، [7] بينما تم تحقيق حيود الإلكترون لأول مرة في عام 1927 في تجربة ديفيسون-جيرمر [8] والعمل الموازي لجورج باجيت طومسون وألكسندر ريد. [9] تطورت هذه إلى الفرعين الرئيسيين لعلم البلورات، علم البلورات بالأشعة السينية وحيود الإلكترون . تحسنت جودة وإنتاجية حل الهياكل البلورية بشكل كبير في النصف الثاني من القرن العشرين، مع تطور الأدوات المخصصة وخوارزميات الطور . في الوقت الحاضر، يعد علم البلورات مجالًا متعدد التخصصات يدعم الاكتشافات النظرية والتجريبية في مجالات مختلفة. [10] تتنوع الأجهزة العلمية الحديثة المستخدمة في علم البلورات من معدات بحجم المختبر، مثل أجهزة قياس الانعراج والمجاهر الإلكترونية ، إلى المرافق الكبيرة المخصصة، مثل أجهزة الحقن الضوئي ومصادر الضوء السنكروتروني والليزر الإلكتروني الحر .

المنهجية

تعتمد الطرق البلورية بشكل أساسي على تحليل أنماط حيود العينة المستهدفة بشعاع من نوع ما. تُستخدم الأشعة السينية بشكل شائع؛ وتشمل الحزم الأخرى المستخدمة الإلكترونات أو النيوترونات . غالبًا ما يذكر علماء البلورات صراحةً نوع الشعاع المستخدم، كما في مصطلحات حيود الأشعة السينية ، وحيود النيوترون ، وحيود الإلكترون . تتفاعل هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع مع العينة بطرق مختلفة.

من الصعب تركيز الأشعة السينية أو النيوترونات، ولكن نظرًا لأن الإلكترونات مشحونة، فيمكن تركيزها واستخدامها في المجهر الإلكتروني لإنتاج صور مكبرة. هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها استخدام المجهر الإلكتروني النافذ والتقنيات ذات الصلة مثل المجهر الإلكتروني النافذ الماسح والمجهر الإلكتروني عالي الدقة للحصول على صور بدقة ذرية في كثير من الحالات يمكن الحصول منها على معلومات بلورية. هناك أيضًا طرق أخرى مثل حيود الإلكترون منخفض الطاقة والمجهر الإلكتروني منخفض الطاقة والحيود الإلكتروني عالي الطاقة الانعكاسي والتي يمكن استخدامها للحصول على معلومات بلورية حول الأسطح.

التطبيقات في مجالات مختلفة

علم المواد

يستخدم علماء المواد علم البلورات لتوصيف المواد المختلفة. في البلورات المفردة، غالبًا ما يكون من السهل رؤية تأثيرات الترتيب البلوري للذرات بالعين المجردة لأن الأشكال الطبيعية للبلورات تعكس البنية الذرية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم التحكم في الخصائص الفيزيائية من خلال العيوب البلورية. يعد فهم هياكل البلورات شرطًا أساسيًا مهمًا لفهم العيوب البلورية . لا توجد معظم المواد على شكل بلورة مفردة، ولكنها متعددة البلورات بطبيعتها (توجد كمجموعة من البلورات الصغيرة ذات التوجهات المختلفة). على هذا النحو، تلعب تقنيات حيود المسحوق ، التي تأخذ أنماط حيود العينات ذات العدد الكبير من البلورات، دورًا مهمًا في تحديد البنية.

ترتبط خصائص فيزيائية أخرى أيضًا بعلم البلورات. على سبيل المثال، تشكل المعادن الموجودة في الطين هياكل صغيرة مسطحة تشبه الصفائح. يمكن تشويه الطين بسهولة لأن الجسيمات الشبيهة بالصفائح يمكن أن تنزلق على طول بعضها البعض في مستوى الصفائح، ومع ذلك تظل متصلة بقوة في الاتجاه العمودي على الصفائح. يمكن دراسة مثل هذه الآليات من خلال قياسات الملمس البلوري . تساعد الدراسات البلورية في توضيح العلاقة بين بنية المادة وخصائصها، مما يساعد في تطوير مواد جديدة بخصائص مخصصة. هذا الفهم أمر بالغ الأهمية في مجالات مختلفة، بما في ذلك علم المعادن والجيولوجيا وعلوم المواد. تستمر التطورات في تقنيات البلورات، مثل حيود الإلكترون وعلم البلورات بالأشعة السينية، في توسيع فهمنا لسلوك المواد على المستوى الذري.

في مثال آخر، يتحول الحديد من بنية مكعبة مركزية الجسم (bcc) تسمى الفريت إلى بنية مكعبة مركزية الوجه (fcc) تسمى الأوستينيت عندما يتم تسخينه. [14] بنية fcc هي بنية مضغوطة بشكل وثيق على عكس بنية bcc؛ وبالتالي فإن حجم الحديد ينخفض ​​عندما يحدث هذا التحول.

علم البلورات مفيد في تحديد الطور. عند تصنيع أو استخدام مادة ما، من المرغوب فيه عمومًا معرفة المركبات والأطوار الموجودة في المادة، حيث أن تركيبها وبنيتها ونسبها ستؤثر على خصائص المادة. كل طور له ترتيب مميز للذرات. يمكن استخدام حيود الأشعة السينية أو النيوترون لتحديد الهياكل الموجودة في المادة، وبالتالي المركبات الموجودة. يغطي علم البلورات تعداد أنماط التناظر التي يمكن أن تشكلها الذرات في البلورة ولهذا السبب يرتبط بنظرية المجموعة .

علم الأحياء

علم البلورات بالأشعة السينية هو الطريقة الأساسية لتحديد التكوينات الجزيئية للجزيئات الحيوية الكبيرة ، وخاصة البروتين والأحماض النووية مثل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين . تم استنتاج البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي من البيانات البلورية. تم حل أول بنية بلورية لجزيء كبير في عام 1958، وهو نموذج ثلاثي الأبعاد لجزيء الميوغلوبين تم الحصول عليه عن طريق تحليل الأشعة السينية. [15] يعد بنك بيانات البروتين (PDB) مستودعًا يمكن الوصول إليه بحرية لهياكل البروتينات والجزيئات الحيوية الكبيرة الأخرى. يمكن استخدام برامج الكمبيوتر مثل RasMol أو Pymol أو VMD لتصور الهياكل الجزيئية البيولوجية. غالبًا ما يتم استخدام علم البلورات النيوتروني للمساعدة في تحسين الهياكل التي تم الحصول عليها بطرق الأشعة السينية أو لحل رابطة معينة؛ غالبًا ما يُنظر إلى الطرق على أنها مكملة، حيث أن الأشعة السينية حساسة لمواضع الإلكترون وتنتشر بقوة أكبر من الذرات الثقيلة، بينما تكون النيوترونات حساسة لمواضع النواة وتنتشر بقوة حتى من العديد من النظائر الخفيفة، بما في ذلك الهيدروجين والديوتيريوم. لقد تم استخدام حيود الإلكترون لتحديد بعض هياكل البروتين، وأبرزها البروتينات الغشائية والقفيصات الفيروسية .

تدوين

  • تشير الإحداثيات الموجودة بين قوسين مربعين مثل [100] إلى متجه اتجاه (في الفضاء الحقيقي).
  • تشير الإحداثيات الموجودة بين قوسين أو أقواس مثل <100> إلى مجموعة من الاتجاهات المرتبطة بعمليات التناظر. على سبيل المثال، في نظام البلورات المكعبة، تعني <100> [100] أو [010] أو [001] أو السالب لأي من هذه الاتجاهات.
  • تشير مؤشرات ميلر الموجودة بين قوسين مثل (100) إلى مستوى البنية البلورية، والتكرارات المنتظمة لهذا المستوى بمسافة معينة. في النظام المكعب، يكون العمودي على مستوى (hkl) هو الاتجاه [hkl]، ولكن في حالات التناظر الأقل، لا يكون العمودي على (hkl) موازيًا لـ [hkl].
  • تشير المؤشرات الموجودة بين أقواس متعرجة أو أقواس مثل {100} إلى مجموعة من المستويات وأعمدةها. في المواد المكعبة، يجعل التناظر هذه المؤشرات متكافئة، تمامًا كما تشير الأقواس الزاوية إلى مجموعة من الاتجاهات. في المواد غير المكعبة، لا يكون <hkl> بالضرورة عموديًا على {hkl}.

المراجع الأدبية

الجداول الدولية لعلم البلورات [16] عبارة عن سلسلة مكونة من ثمانية كتب تحدد التدوينات القياسية لتنسيق البلورات ووصفها واختبارها. تحتوي السلسلة على كتب تغطي طرق التحليل والإجراءات الرياضية لتحديد البنية العضوية من خلال علم البلورات بالأشعة السينية، وحيود الإلكترونات، وحيود النيوترون. تركز الجداول الدولية على الإجراءات والتقنيات والأوصاف ولا تسرد الخصائص الفيزيائية للبلورات الفردية نفسها. يبلغ طول كل كتاب حوالي 1000 صفحة وعناوين الكتب هي:

المجلد أ - تماثل المجموعة الفضائية ،
المجلد أ1 - علاقات التماثل بين المجموعات المكانية ،
المجلد ب - الفضاء المتبادل
المجلد ج - الجداول الرياضية والفيزيائية والكيميائية
المجلد د - الخصائص الفيزيائية للبلورات
المجلد هـ - المجموعات الفرعية الدورية
المجلد F - علم بلورات الجزيئات الحيوية الكبيرة ، و
المجلد G - تعريف وتبادل البيانات البلورية .

علماء بارزون


انظر أيضا

مراجع

  1. ^ شابوي، جيرفيس (محرر). "القاموس الإلكتروني لعلم البلورات". القاموس الإلكتروني لعلم البلورات . الاتحاد الدولي لعلم البلورات . تم استرجاعه في 2024-05-22 .
  2. ^ "القاموس الإلكتروني لعلم البلورات". الاتحاد الدولي لعلم البلورات . 2021-10-21 . تم الاسترجاع في 2024-03-11 .
  3. ^ إعلان الأمم المتحدة "السنة الدولية لعلم البلورات". iycr2014.org. 12 يوليو 2012
  4. ^ "تطور مقياس الزوايا". مجلة نيتشر . 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. رمز المرجع : 1915Natur..95..564.. doi : 10.1038/095564a0 . ISSN  1476-4687.
  5. ^ مولكانوف، كريسيمير؛ ستيلينوفيتش ، فلاديمير (2014/01/13). “البلورات الكيميائية قبل حيود الأشعة السينية”. Angewandte Chemie الطبعة الدولية . 53 (3): 638-652. دوى :10.1002/anie.201301319. ردمك  1433-7851. بميد  24065378.
  6. ^ ماسكارينهاس ، إيفون بريميرانو (2020-03-02). “علم البلورات قبل اكتشاف حيود الأشعة السينية”. Revista Brasileira de Ensino de Física . 42 : e20190336. دوى : 10.1590 / 1806-9126-RBEF-2019-0336 . ISSN  1806-1117.
  7. ^ فريدريش دبليو، Knipping P، von Laue M (1912). "Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen" (PDF) . Sitzungsberichte der Mathematics-Physikalischen Classe der Königlich-Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München [ظاهرة التداخل في الأشعة السينية ]. 1912 : 303.
  8. ^ Davisson, C.; Germer, LH (1927). "تشتت الإلكترونات بواسطة بلورة واحدة من النيكل". مجلة نيتشر . 119 (2998): 558–560. رمز Bibcode :1927Natur.119..558D. doi :10.1038/119558a0. ISSN  1476-4687.
  9. ^ تومسون، جي بي؛ ريد، أ. (1927). "حيود أشعة الكاثود بواسطة فيلم رقيق". نيتشر . 119 (3007): 890. رمز Bibcode :1927Natur.119Q.890T. doi :10.1038/119890a0. ISSN  1476-4687.
  10. ^ بروكس-بارتليت، جوناثان سي؛ جارمان، إلسبيث ف. (2015-07-03). "جائزة نوبل للعلوم: مائة عام من علم البلورات". مراجعات العلوم المتعددة التخصصات . 40 (3): 244-264. رمز Bibcode :2015ISRv...40..244B. doi :10.1179/0308018815Z.000000000116. ISSN  0308-0188.
  11. ^ Cullity, BD; Stock, Stuart R. (2001). Elements of X-ray diffraction (الطبعة الثالثة). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-61091-8.
  12. ^ "حيود النيوترون باستخدام الاستبدال النظيري باستخدام تقنية ISIS". www.isis.stfc.ac.uk . تم الاسترجاع في 2024-07-02 .
  13. ^ كاولي، جون ماكسويل (1995). فيزياء الحيود. مكتبة شمال هولندا الشخصية (الطبعة الثالثة). أمستردام؛ نيويورك: إلسيفير ساينس بي في رقم ISBN 978-0-444-82218-5.
  14. ^ "علم المواد والهندسة: مقدمة، الطبعة العاشرة | وايلي". Wiley.com . تم الاسترجاع في 2022-09-10 .
  15. ^ Kendrew, JC; Bodo, G.; Dintzis, HM; Parrish, RG; Wyckoff, H.; Phillips, DC (1958). "نموذج ثلاثي الأبعاد لجزيء الميوغلوبين الناتج عن تحليل الأشعة السينية". Nature . 181 (4610): 662–6. Bibcode :1958Natur.181..662K. doi :10.1038/181662a0. PMID  13517261. S2CID  4162786.
  16. ^ Prince, E. (2006). International Tables for Crystallography Vol. C: Mathematical, Physical and Chemical Tables. Wiley. ISBN 978-1-4020-4969-9. OCLC  166325528. OL  9332669M. مؤرشف من الأصل في 6 مايو 2022.
  • كتاب مجاني هندسة البلورات والبلورات المتعددة والتحولات الطورية
  • الجمعية الأمريكية لعلم البلورات
  • تعلم علم البلورات
  • دورة تدريبية على شبكة الإنترنت في علم البلورات
  • المجموعات الفضائية البلورية
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=علم البلورات&oldid=1244336610"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate