هندسة عمارة السيليكون و أوكسيد السيليكون

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

ولتوضيح أهمية علم بلورات الأشعة السينية لعلوم القرن العشرين، دعونا ننظر إلى مجموعة من المواد المشتقة من الرمل (الشكل 4.2) من أجل معرفة كيف يحوِّل العلماء هندسة عمارة الرمل لإنتاج مواد جديدة.

تُظهِر المواد في الشكل 4.2 فوارق بصرية واضحة، لكن ما هو أقل وضوحاً هو أنها تمتلك حيزاً واسعاً من الكثافات التي تتباين بمعامل يبلغ 100 مرة من 5 g/cm³ للكوارتز في سهام الصوان إلى 0.03 g/cm³ في الهلام الهوائي.

الشكل (2.4 )مواد مصنعة من الرمل (السيليكا): (الأعلى) (أ) سهم من الصوان و (ب) ليف ضوئي من الكوارتز (بترخيص من شركة ألكاتل لوسانت المتحدة في أميركا)؛ (الوسط) (ت) فلز سكوليزيت (scolecite) (سيليكات الألمنيوم والكالسيوم المائية في عائلة الزيوليت) (موافقة رئيس وزملاء كلية هارفرد) و (ث) عقيق (موافقة متحف سميثسونيان)؛ (الأسفل) (ج) هلام السيليكا و (ح) هلام هوائي. من الصوان إلى الهلام الهوائي، تكون شبكة رباعيات الوجوه المرتبطة بالرؤوس أكثر انفتاحاً تدريجياً مع تناقص موافق في الكثافة من مرتبة مائة.

 

ولعله من الصعب، بالاعتماد على صورة بالأسود والأبيض، إدراك معنى أن تكون الكثافة 100 مرة تقريباً أصغر من كثافة الكوارتز، فكثافة الهلام الهوائي تبلغ 30 مرة تقريباً كثافة الهواء، وإذا أمسكنا قطعة من هذه المادة الشافة الزرقاء، ستبدو كما لو أنها عديمة الوزن تماماً. يبين الشكل 4.2 الهلام الهوائي فوق سرير من الرمل الذي يمكن رؤيته عبر الهلام شبه الشفاف.

تبنى هندسة عمارة الرمل، كما يكشف انعراج الأشعة السينية، بواسطة الوحدة البنيوية رباعي الوجوه (الشكل 2.5) حيث تتمخض الخواص الكيميائية للسيليكون والأوكسجين عن هندسة عمارة ينتج عنها شبكة رباعية الوجوه.

يتألف كل رباعي الوجوه من ذرة سيليكون في المركز وذرات أوكسجين على الزوايا الأربعة، وتتصل رباعيات الوجوه بواسطة الاشترك بالرؤوس لتشكيل شبكة متمددة تتغير وفق المادة.

ينتج رباعي الوجوه بسبب الروابط الكيميائية الموجهة التي تمثل اللاصق الذي يربط الذرات مع بعضها. وكما يعرض الفصل الأخير، طوّر جيلبرت نيوتن لويس (Gilbert Newton Lewis) ولينوس بولينغ نموذج الروابط الكيميائية الموجهة في عشرينات القرن العشرين خلال الأيام الأولى لتطور ميكانيك الكم.

وتحتل الإلكترونات في الذرة مدارات تُعرِّف احتمال وجود الالكترون تبعاً للمسافة عن النواة وتناظر المدار (Pauling 1960). تتجه فصوص مدارات السيليكون نحو رؤوس رباعي الوجوه.

وفي السيليكون، تشكل الإلكترونات في الفصوص الأربع روابط مع أربع ذرات أوكسجين مجاورة (الشكل 2.5) حيث يشترك كل أوكسجين بين رباعيي وجوه متجاورين مما يؤدي إلى شبكة ثلاثية الأبعاد من رباعيات الوجوه المتشاركة بالرؤوس.

 

تختلف المواد في الشكل 4.2 ليس فقط في كثافة شبكة رباعيات الوجوه وإنما في درجة النظام أو انتظام الشبكة. تمت مناقشة بنية بلورة الكوارتز في الفصل السابق (الشكل 7.1)، وتمتلك بلورات الكوارتز شبكة رباعيات وجوه منتظمة، لكن ليف الكوارتز (الشكل 4.2) يمتلك شبكة عشوائية من رباعيات الوجوه.

ويكون الصوان والزيوليت مثل السكوليزيت بلورية (أو تتألف من بلورات ميكروية) ذات شبكات منتظمة. يمتلك العقيق بنية فريدة منتظمة جزئياً ويكون الهلام والهلام الهوائي غير منتظمين ويمتلكان شبكات عشوائية.

تعتبر أشكال الزجاج المتعددة أكثر المواد الشائعة التي تمتلك شبكة عشوائية وتنتج عن تسخين السيليكا مع اثنين أو أكثر من الأكاسيد. وتتعلق طبيعة الزجاج بالمزيج، لكن الزجاج يكون عادة قاس وقصف.

وعند تسخينه، يصبح طرياً ويمكن نفخه ودرفلته وإعطائه الشكل المرغوب. تستعمل صناعة الزجاج حوالي 10 مليون طن من الرمل في العام لتصنيع العبوات والنوافذ والألياف الزجاجية وعدد واسع من المنتجات اليومية.

هناك عدد من الكتب حول تاريخ واستعمالات الزجاج، نرجع إليها من أجل مناقشات أكثر توسعاً (Macfarlane and Martin 2002). وعوضاً عن ذلك، ستتركز مناقشتنا حول مقارنة بنية البلورات وبنية المواد غير المنتظمة مثل الزجاج.

فعند صهر أوكسيد السيليكون وتبريد السائل بسرعة فإنه يشكل زجاجاً بدلاً من واحد من أشكال الكوارتز البلورية. وتبقى البنية مؤلفة من رباعيات وجوه سيليكون- أوكسجين متشاركة بالرؤوس لكنها تشكل شبكة عشوائية.

 

وفي الزجاج، يمكن فقط تحديد المسافات الوسطية يبن الذرات، والزوايا الوسطية بين الروابط الكيميائية المختلفة بواسطة انعراج الأشعة السينية.

يبين الشكل 6.2 الفرق بين شبكة منتظمة من رباعيات الوجوه المتشاركة بالرؤوس وشبكة غير منتظمة، حيث يمثل المخطط على اليسار مسقط طبقة في بنية فلز الترايديميت أحد أطوار السيليكا (الرمل). وتشكل رباعيات الوجوه حلقات تتألف من ستة رباعيات وجوه تنتظم وفق شبكة سداسية منتظمة.

ويمثل ما هو على يمين الشكل 6.2 نموذجاً افترضياً لشبكة رباعيات الوجوه ثنائية الأبعاد غير منتظمة تعتمد على أول محاولة من قبل و. ه. زكرياسن لوصف بنية الزجاج (Zachariasen 1932).

في الكوارتز البلوري، هناك شبكات منتظمة من الحلقات المؤلفة من ستة رباعيات وجوه، وفي الشبكة العشوائية، سيكون هناك مزيج من الحلقات التي تتضمن 4 أو 5 أو 6 أو 7 رباعيات وجوه مرتبطة جميعها مع بعضها.

وفي زجاج حقيقي، هناك شبكة عشوائية ثلاثية الأبعاد من الحلقات، لكن هذا المفهوم يتوضح ببساطة أكبر بواسطة نموذج ثنائي الأبعاد كما في الشكل 6.2.4

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]