الكريستال

البلورة هي بلورة صغيرة أو حتى مجهرية تتشكل، على سبيل المثال، أثناء تبريد العديد من المواد. وتُعرف البلورات أيضاً باسم الحبيبات .

الباسيلليت عبارة عن بلورة طويلة رفيعة تشبه الإبرة. ^{[ 1 ]} وهي تشبه القضيب ولها خيوط طولية متوازية . ^{[ 2 ]}

قد يكون اتجاه البلورات عشوائيًا دون اتجاه مفضل، ويُسمى هذا بالنسيج العشوائي ، أو موجهًا، ربما نتيجة لظروف النمو والتصنيع. في حين أن بنية البلورة الأحادية شديدة التنظيم وشبكتها متصلة وغير منقطعة، فإن المواد غير المتبلورة ، مثل الزجاج والعديد من البوليمرات، غير بلورية ولا تُظهر أي بنية، لأن مكوناتها غير مرتبة بشكل منتظم. تقع البنى متعددة البلورات والأطوار شبه البلورية بين هذين النقيضين. المواد متعددة البلورات، أو البلورات المتعددة، هي مواد صلبة تتكون من العديد من البلورات ذات الأحجام والاتجاهات المختلفة. معظم المواد متعددة البلورات، وتتكون من عدد كبير من البلورات المترابطة بطبقات رقيقة من مادة صلبة غير متبلورة. معظم المواد الصلبة غير العضوية متعددة البلورات، بما في ذلك جميع المعادن الشائعة، والعديد من أنواع السيراميك ، والصخور، والجليد. يُشير مصطلح المواد قليلة التبلور إلى بنية مجهرية تتكون من عدد قليل من الحبيبات الخشنة، وغالبًا ما تكون عمودية وموازية للمحور الطولي للسبائك. ويمكن إيجاد هذه البنية المجهرية في السبائك المنتجة عن طريق صهر الحزمة الإلكترونية . ^{[ 3 ]}

المناطق التي تلتقي فيها البلورات تُعرف باسم حدود الحبيبات .

مقاس

يُقدَّر حجم البلورات في البنى المجهرية أحادية التشتت عادةً من أنماط حيود الأشعة السينية، بينما يُقدَّر حجم الحبيبات بتقنيات تجريبية أخرى كالمجهر الإلكتروني النافذ. ونادرًا ما تتكون الأجسام الصلبة الكبيرة بما يكفي لرؤيتها ولمسها من بلورة واحدة، باستثناء حالات قليلة ( كالأحجار الكريمة ، وبلورات السيليكون الأحادية المستخدمة في صناعة الإلكترونيات، وأنواع معينة من الألياف ، وبلورات أحادية من سبيكة فائقة أساسها النيكل لمحركات التوربينات النفاثة ، وبعض بلورات الجليد التي قد يتجاوز قطرها 0.5 متر). ^{[ 4 ]} ويتراوح حجم البلورات من بضعة نانومترات إلى عدة ملليمترات.

التأثيرات على الخصائص الفيزيائية للمادة

تؤثر درجة تبلور المادة الصلبة ( التبلور ) تأثيرًا كبيرًا على خصائصها الفيزيائية. ^{[ 5 ]} الكبريت ، على الرغم من أنه عادةً ما يكون متعدد التبلور، إلا أنه قد يوجد أيضًا في أشكال تآصلية أخرى ذات خصائص مختلفة تمامًا. ^{[ 6 ]} على الرغم من أن البلورات الصغيرة تُسمى حبيبات، إلا أن حبيبات المسحوق تختلف، إذ يمكن أن تتكون هي الأخرى من حبيبات متعددة التبلور أصغر حجمًا. ^{[ 7 ]} عمومًا، لا يمكن تسخين المواد متعددة التبلور إلى درجة حرارة فائقة ؛ فهي تنصهر فور وصولها إلى درجة حرارة عالية كافية. ويعود ذلك إلى أن حدود الحبيبات غير متبلورة، وتعمل كنقاط تنوية للطور السائل . في المقابل، إذا لم تكن هناك نواة صلبة موجودة أثناء تبريد السائل، فإنه يميل إلى أن يصبح فائق التبريد . ولأن هذا غير مرغوب فيه بالنسبة للمواد الميكانيكية، غالبًا ما يتخذ مصممو السبائك خطوات لتجنبه (عن طريق تحسين الحبيبات ).

يمكن أن تكون كسور المواد إما بين الحبيبات أو عبر الحبيبات . يوجد غموض فيما يتعلق بحبيبات المسحوق: إذ يمكن أن تتكون حبة المسحوق من عدة بلورات. وبالتالي، قد يختلف "حجم الحبيبات" (للمسحوق) الذي يُحدد بواسطة قياس حجم الحبيبات بالليزر عن "حجم الحبيبات" (أو بالأحرى حجم البلورات) الذي يُحدد بواسطة حيود الأشعة السينية (مثل طريقة شيرر )، أو بواسطة المجهر الضوئي تحت الضوء المستقطب ، أو بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (الإلكترونات المتناثرة).

إذا كانت البلورات الفردية موجهة بشكل عشوائي تمامًا، فإن حجمًا كبيرًا بما يكفي من المادة متعددة البلورات سيكون متجانس الخواص تقريبًا . تساعد هذه الخاصية في تطبيق الافتراضات المبسطة لميكانيكا الأوساط المتصلة على المواد الصلبة في العالم الحقيقي. مع ذلك، فإن معظم المواد المصنعة تحتوي على بعض التراصف في بلوراتها، مما ينتج عنه نسيج يجب أخذه في الاعتبار للتنبؤ بدقة بسلوكها وخصائصها. عندما تكون البلورات مرتبة في الغالب مع انتشار عشوائي للاتجاهات، نحصل على بلورة فسيفسائية . يُلاحظ نمو الحبيبات غير الطبيعي ، حيث يكون عدد قليل من البلورات أكبر بكثير من متوسط ​​حجم البلورات، بشكل شائع في المواد متعددة البلورات المتنوعة، وينتج عنه خصائص ميكانيكية وبصرية تختلف عن المواد المماثلة التي لها توزيع أحادي التشتت لحجم البلورات مع متوسط ​​حجم بلورات مماثل.

تتشكل الصخور الخشنة ببطء شديد، بينما تتشكل الصخور الناعمة بسرعة، وذلك على نطاق زمني جيولوجي. إذا تشكلت صخرة بسرعة كبيرة، كما هو الحال عند تصلب الحمم البركانية ، فقد لا تحتوي على أي بلورات على الإطلاق. هكذا يتشكل حجر الأوبسيديان .

حدود الحبيبات هي أسطح تلتقي عندها بلورات ذات اتجاهات مختلفة. يُعد حد الحبيبة سطحًا أحادي الطور، حيث تكون البلورات على جانبي الحد متطابقة باستثناء اتجاهها. يُستخدم مصطلح "حدود البلورات" أحيانًا، وإن كان نادرًا. تحتوي مناطق حدود الحبيبات على الذرات التي أُزيحت من مواقعها الأصلية في الشبكة البلورية، بالإضافة إلى الانخلاعات والشوائب التي هاجرت إلى حدود الحبيبات ذات الطاقة المنخفضة.

باعتبار حدود الحبيبات هندسيًا سطحًا فاصلًا بين جزأين من بلورة أحادية، أحدهما مُدار، نلاحظ وجود خمسة متغيرات ضرورية لتحديد حدود الحبيبات. يُستمد أول رقمين من متجه الوحدة الذي يُحدد محور الدوران. ويُشير الرقم الثالث إلى زاوية دوران الحبيبة. أما الرقمان الأخيران فيُحددان مستوى حدود الحبيبات (أو متجه وحدة عمودي على هذا المستوى).

تعيق حدود الحبيبات حركة الانخلاعات عبر المادة. ويُعاق انتشار الانخلاعات بسبب مجال الإجهاد في منطقة عيب حدود الحبيبات، وانعدام مستويات الانزلاق واتجاهاته، وعدم وجود محاذاة عامة عبر الحدود. لذا، يُعدّ تقليل حجم الحبيبات طريقة شائعة لتحسين المتانة ، غالبًا دون أي تأثير سلبي على الصلابة ، لأن الحبيبات الأصغر تُنشئ عوائق أكثر لكل وحدة مساحة من مستوى الانزلاق. وتُعطى هذه العلاقة بين حجم البلورات والمتانة بعلاقة هول-بيتتش . وتجعل الطاقة السطحية العالية والترابط الضعيف نسبيًا في حدود الحبيبات منها مواقع مفضلة لبدء التآكل وترسيب أطوار جديدة من المادة الصلبة.

تلعب هجرة حدود الحبيبات دورًا هامًا في العديد من آليات الزحف . تحدث هذه الهجرة عندما يؤثر إجهاد القص على مستوى حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى انزلاقها. وهذا يعني أن المواد ذات الحبيبات الدقيقة تتمتع بمقاومة ضعيفة للزحف مقارنةً بالحبيبات الخشنة، خاصةً عند درجات الحرارة العالية، لأن الحبيبات الأصغر تحتوي على عدد أكبر من الذرات في مواقع حدود الحبيبات. كما تُسبب حدود الحبيبات تشوهًا، إذ تُعد مصادر ومصارف للعيوب النقطية. تميل الفراغات في المادة إلى التجمع عند حدود الحبيبات، وإذا حدث ذلك بدرجة حرجة، فقد تنكسر المادة .

أثناء هجرة حدود الحبيبات، تعتمد الخطوة المحددة لمعدل الهجرة على الزاوية بين حبيبتين متجاورتين. في حدود الخلع ذات الزاوية الصغيرة، يعتمد معدل الهجرة على انتشار الفراغات بين الخلوع. أما في حدود الخلع ذات الزاوية الكبيرة، فيعتمد ذلك على انتقال الذرات عبر قفزات ذرية منفردة من الحبيبات المنكمشة إلى الحبيبات المتنامية. ^{[ 8 ]}

لا يتجاوز عرض حدود الحبيبات عادةً بضعة نانومترات. في المواد الشائعة، تكون البلورات كبيرة بما يكفي بحيث تشكل حدود الحبيبات جزءًا صغيرًا من المادة. مع ذلك، يمكن الوصول إلى أحجام حبيبات متناهية الصغر. في المواد الصلبة النانوية البلورية، تُصبح حدود الحبيبات جزءًا كبيرًا من حجم المادة، مما يؤثر بشكل كبير على خصائص مثل الانتشار واللدونة . في حالة البلورات الصغيرة، عندما يقترب حجم حدود الحبيبات من 100%، تفقد المادة أي خصائص بلورية، وبالتالي تُصبح مادة صلبة غير متبلورة .

توجد حدود الحبيبات أيضًا في المجالات المغناطيسية للمواد المغناطيسية. على سبيل المثال، يتكون القرص الصلب للحاسوب من مادة مغناطيسية حديدية صلبة تحتوي على مناطق من الذرات التي يمكن إعادة توجيه عزمها المغناطيسي بواسطة رأس حثي. يختلف التمغنط من منطقة إلى أخرى، ويشكل عدم التوافق بين هذه المناطق حدودًا أساسية لتخزين البيانات. يقيس الرأس الحثي اتجاه العزوم المغناطيسية لهذه المناطق المغناطيسية ويقرأ إما "1" أو "0". هذه البتات هي البيانات المراد قراءتها. يُعد حجم الحبيبات مهمًا في هذه التقنية لأنه يحد من عدد البتات التي يمكن تخزينها على قرص صلب واحد. كلما صغر حجم الحبيبات، زادت كمية البيانات التي يمكن تخزينها.

نظراً لمخاطر حدود الحبيبات في بعض المواد، مثل شفرات التوربينات المصنوعة من السبائك الفائقة ، فقد بُذلت جهود تكنولوجية كبيرة للحدّ قدر الإمكان من تأثير هذه الحدود في الشفرات. وكانت النتيجة عملية التصلب الاتجاهي، حيث تم التخلص من حدود الحبيبات من خلال إنتاج هياكل حبيبية عمودية موازية لمحور الشفرة، إذ يُعد هذا الاتجاه عادةً اتجاه أقصى إجهاد شد تتعرض له الشفرة أثناء دورانها في الطائرة. وبذلك، أصبحت شفرات التوربينات تتكون من حبة واحدة، مما حسّن من موثوقيتها.

• ألين، صموئيل؛ توماس، إدوين (1999). بنية المواد . نيويورك: جون وايلي وأولاده، المحدودة.
• جايلز، ديفيد (1998). مقدمة في المغناطيسية والمواد المغناطيسية . لندن: تشابمان وهول/سي آر سي.
• لاو، ج. (2009). "تطبيق الحبيبات متعددة البلورات ثنائية الأبعاد في إطار مغناطيسي دقيق موجه نحو الكائنات" . مجلة البحوث الصادرة عن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 114 (1): 57-67 . doi : 10.6028 / jres.114.005 . PMC 4651613. PMID 27504213 .