هندسة عمارة رباعية الوجوه سيليكون – أوكسجين

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

تعلم علميو المواد في القرن العشرين كيفية التحكم بهندسة عمارة رباعيات الوجوه سيليكون- أوكسجين في طيف واسع من المواد المسامية القائمة على السيليكا، لكن الطبيعة تمتلك طرائقها الساحرة الخاصة للتحكم بهندسة عمارة رباعيات الوجوه سيليكون- أوكسجين.

وكيميائياً، تتمتع أنواع العقيق بتركيب SiO₂ الكيميائي مع كميات متغيرة من الماء (1- 10 %)، كما تمتلك ألوان عميقة متغيرة وتُظهر تألقات مثيرة من الألوان عند تدويرها تحت الضوء.

يعود أصل هذا المظهر الجميل من الألوان إلى سر حلَّ لغزه ج. ف. ساندرز (J. V. Sanders) وزملاؤه عام 1960 في أستراليا (Sanders 1964). ففي عملية نمو بطيئة خلال آلاف السنين، تتشكل كرات لابلورية من أوكسيد السيليكون تكون غالباً منتظمة الأبعاد.

 وتتألف هذه الكرات فردياً من شبكة عشوائية من رباعيات وجوه السيليكون- أوكسجين المتشاركة بالرؤوس وتتجمع وفق شبكة كثيفة ثلاثية الأبعاد. يبين الشكل 10.2 صورة البنية المجهرية للعقيق بواسطة المجهر الالكتروني.

يعتقد أن أنواع العقيق تتشكل في جيوب الصخور. فالرمل والسيليكا ينحلان في الماء ويملأ المحلول الناتج الجيوب، ومع الزمن، يتبخر الماء ويزداد تركيز السيليكا حتى تنفصل الكرات عن المحلول.

إذا كانت سرعة التبخر بطيئة بشكلٍ كافٍ، يتشكل عند ذلك أنواع العقيق "الناري" الشهير ويكون فيه مناطق واسعة تمتلك شبكات جيدة الانتظام من كرات لابلورية متماثلة الحجم.

يعود أصل تألقات الألوان في العقيق الثمين إلى انعراج براغ (الصندوق 2.1) عن شبكات كرات SiO₂ اللابلورية المنتظمة.

ويحصل الانعراج عندما يكون طول موجة الضوء والمسافة بين طبقات كرات السيليكا متماثلين. يتمتع الضوء المرئي بحيز أطوال أمواج تتغير من 380 نانومتر (البنفسجي) إلى 760 نانومتر (الأحمر) ، وهذا ما يقارن بالمسافة في شبكة التنضيد الكثيف للكرات اللابلورية.

لقد تواطأت الطبيعة لتنمية العقيق الثمين مع أبعاد كرات ينعرج عليها الضوء في الحيز المرئي بحيث نشاهد الألوان من الأحمر حتى الأخضر.