مقدمه: 

شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد كه چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آن‌ها محكم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور مي‌تواند از بعضي از مواد عبور ‌كند و از بعضي ديگر نه؟ 

سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌هاي مواد از نظر خواص مي‌‌كند و ما را در رابطه با علت اين تفاوت‌‌ها، به تفكر بيشتر وادار مي‌‌كند. با اطلاعاتي كه ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌هاي موجود در عناصر داريم شايد گمان كنيم كه تفاوت‌‌‌‌هاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌هاي عناصر تشكيل دهنده آنها است. با اين تفكر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشكيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگي‌‌هاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشكيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشكيل دهنده يعني تعيين تركيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشكار مي‌‌كند. براستي با دانستن تركيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟ 

با كمي دقت و توجه به تركيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مي‌‌يابيم كه بسياري از آنها با وجود اين كه در رفتار و خواص با يكديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي يكسان مي‌باشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي متفاوت با يكديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز تركيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد مي‌‌شود؟ 

 

براي جواب اين سئوال لازم است كه بيشتر با ساختار و ويژگي‌هاي مواد آشنا شويم. 

ساختار مواد چيست؟ 

ساختار مواد ارتباط بين اتم‌‌ها، يون‌‌ها و مولكول‌‌هاي تشكيل دهنده آن مواد را مشخص مي‌‌كند. براي شناخت ساختار مواد ابتدا بايد به نوع اتصالات بين اتم‌‌ها و يون‌‌ها پي برد. به طور حتم با پيوندهاي شيميايي آشنايي داريد. پيوندهاي شيميايي نحوه اتصال ميان اتم‌‌ها و يون‌‌ها را مشخص مي‌‌كنند. بنابراين تفاوت پيوندهاي شيميايي مختلف را در ويژگي‌هاي اين پيوندها مي‌‌توان مشاهده كرد. به عنوان مثال در نمك طعام به دليل وجود پيوند يوني كه منجر به محصور شدن الكترون‌‌ها مي‌‌شود، خاصيت "رسانايي" مشاهده نمي‌شود زيرا الكترون‌‌ها كه حامل و انتقال دهنده‌ي بار الكتريكي هستند، به دليل محصور شدن امكان حركت ندارند و چيزي براي انتقال بار الكتريكي در ميان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دليل وجود پيوند فلزي كه موجب آزادي الكترون‌‌ها مي‌‌شود و امكان تحرك الكترون‌‌ها را فراهم مي‌‌نمايد، مي‌‌توانيم خاصيت رسانايي را انتظار داشته باشيم. زيرا الكترون‌‌هاي آزاد، امكان انتقال بار الكتريكي را در طول ماده فراهم مي‌آورند. همانطور كه ذكر شد اطلاع از نوع پيوندهاي اتمي مي‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد كمك كند. اما آيا تنها با دانستن نوع پيوندها تمامي خواص و رفتار يك ماده را مي‌‌توان پيش‌‌بيني كرد؟ 

براي روشن شدن مطلب مثال معروفي را ارائه مي‌‌كنيم. همانطور كه مي‌‌دانيد گرافيت و الماس هر دو از اتم‌‌هاي كربن تشكيل شده‌‌اند و هر دو "ريخت‌‌هاي" مختلفي از عنصر كربن هستند. اما چرا خواص گرافيت و الماس تا اين حد با يكديگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترين ماده طبيعي معرفي مي‌‌گردد و گرافيت به دليل نرمي بسيار، به عنوان ماده "روانساز" به كار گرفته مي‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافيت و الماس را به نوع اتصال و پيوند شيميايي اتم‌‌هاي كربن نمي‌‌توان نسبت داد زيرا در هر دو شكل اين ماده - كه تنها داراي اتم‌‌هاي كربن است - يك نوع پيوند شيميايي وجود دارد. بلكه علت در "چگونگي اتصالات و پيوندهاي شيميايي" اين دو شكل كربن است. در گرافيت اتم‌‌هاي كربن شش ضلعي‌‌هاي پيوسته‌‌اي شبيه به يك لانه زنبور تشكيل مي‌‌دهند كه در يك سطح گسترده شده است.

لايه‌‌هاي شش ضلعي ساخته شده با قرار گرفتن روي هم، حجمي را تشكيل مي‌‌دهند كه به آن گرافيت مي‌‌گوييم. واضح است كه در ساختار گرافيت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: يك نوع اتصال، اتصالي است كه بين اتم‌‌هاي كربن هر لايه لانه زنبوري وجود دارد و جنس آن از نوع پيوند كوالانسي است. نوع دوم اتصالي است كه لايه‌‌هاي لانه زنبوري را به يكديگر وصل مي‌كند. بديهي است كه اين نوع از جنس اتصالات اوليه يعني پيوندهاي اتمي نيست. بنابراين پيوند به هم پيوستگي دوم - كه قدرت به هم پيوستگي لايه‌‌ها را مشخص مي‌‌كند - ضعيف‌‌تر از اتصال اوليه كه يك پيوند كوالانسي است، خواهد بود. پس مي‌توان انتظار داشت كه گرافيت، در جهت صفهات لانه‌زنبوري به دليل داشتن پيوند قوي كووالانسي استحكام بالايي داشته باشد؛ بالعكس، اين ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوري به علت وجود پيوند ضعيف ثانويه بين لايه‌ها، به مراتب كمتر از استحكام درون آنها، داراي مقاومت است. از طرفي به دليل پيوندهاي ضعيف بين لايه‌‌اي انتظار مي‌‌رود كه با اعمال نيرويي بيشتر، لايه‌‌هاي لانه زنبوري بتوانند بر روي يكديگر بلغزند. 

 

شكل 1- ساختار گرافيت

<در مقابل ساختار لايه‌اي گرافيت، الماس داراي يك ساختار شبكه‌اي است. در گرافيت پيوندهاي اوليه يعني پيوندهاي اتمي تنها در يك سطح (در يك وجه) برقرار مي‌‌شود در حالي كه در ساختار الماس اين پيوندها به صورت شبكه‌‌اي سه بعدي فضا را پر مي‌‌كنند. در ساختار گرافيت هر اتم كربن با سه اتم كربن ديگر اتصال اتمي از جنس كوالانسي ايجاد مي‌‌كند، در حالي كه در ساختار الماس هر اتم كربن با چهار اتم كربن ديگر پيوند اتمي و از جنس كوالانسي برقرار مي‌نمايد. 

 

شكل 2- ساختار الماس

 

با توضيحاتي كه راجع به تفاوت‌‌هاي ساختاري گرافيت و الماس داده شد مشخص مي‌‌گردد كه دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور كه ديديد ساختار با مشخص كردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشكيل دهنده مواد، تاثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني كرد. همچنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود. 

 

ريزساختار چيست؟ 

با شناختي كه نسبت به ساختار مواد پيدا كرده‌ايد، ممكن است گمان كنيد موادي كه ما به صورت توده‌اي در اطراف خود مي‌بينيم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاري اوليه به وجود آمده‌اند. به عبارت ديگر ممكن است تصور شود كه مواد توده‌اي، شكل گسترش يافته ساختار اوليه است و بنابراين تمامي خواص و رفتار ساختار اوليه را دارا خواهد بود. اين تصور با مشاهدات رفتاري مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافيت ما انتظار داريم كه استحكام در راستاهاي مختلف متفاوت باشد زيرا ساختار اوليه در جهت صفحات لانه زنبوري داراي استحكام بالا و در جهت عمود بر صفحات داراي استحكام كمي است. بنابراين گرافيت فقط در برخي جهات خاص مي‌بايست "قابليت حركت لايه‌ها بر روي يكديگر" را داشته باشد.

 مي‌دانيم كه از گرافيت به عنوان ماده اصلي مغز مداد استفاده مي‌شود و اثري كه از مداد بر روي كاغذ باقي مي‌ماند در حقيقت لايه‌‌هاي نازك گرافيت است كه با مالش نوك مداد بر روي كاغذ، از سطح آن كنده شده و بر روي كاغذ مي‌چسبد و همانطور كه پيش‌تر اشاره شد لايه‌هاي گرافيت به دليل پيوند ضعيف ثانويه امكان لغزش و حتي جدا شدن از يكديگر را دارند. حالا سئوال اينجاست كه اگر توده گرافيت گسترش همان ساختار اوليه گرافيت باشد، بايد مداد تنها در يك جهت خاص قابليت نوشتن داشته باشد زيرا ساختار گرافيت تنها لغزيدن لايه‌ها بر روي هم و كنده شدن آنها از توده و چسبيدن‌شان به سطح كاغذ را در جهت خاصي ميسر مي‌سازد و در غير از آن جهات خاص به دليل وجود پيوندهاي قوي درون لايه‌ها، امكان كنده شدن وجود نخواهد داشت. اين تعبير به آن معناست كه مداد تنها در برخي جهات خاص مي‌نويسد و در ديگر جهات مداد نخواهد نوشت و اين تصور با تجربه هر روزه ما از بكارگيري مداد متفاوت و متناقض است زيرا به تجربه دريافته‌ايم كه مداد در تمامي جهات مي‌نويسد. ما مداد را در هر زاويه و هر جهتي نسبت به كاغذ حركت دهيم مداد خواهد نوشت. پس دليل اين تناقض چيست؟ آيا ساختار گرافيت آنگونه كه گمان مي‌كنيم نيست؟ و يا اينكه توده گرافيت چيزي غير از گسترش يكنواخت و هماهنگ ساختار گرافيت است؟ 

 

شكل 3- طرحي ساده از ريزساختار ايده‌آل گرافيت

 

 

براي درك درست از رفتار توده‌اي مواد لازم است كه با ريزساختار آنها آشنا بشويم. با بررسي ميكروسكوپي گرافيت درمي‌يابيم‌ كه توده گرافيت يكپارچه نيست بلكه اين توده متشكل از دانه‌هاي بسياري است كه هر يك به صورت مستقل و جدا از يكديگر در درون خود داراي ساختار گرافيت هستند. به عبارت ديگر توده گرافيت را مي‌توان اجتماع بي‌نظمي از بخش‌هايي كه هر يك داراي ساختار گرافيت هستند، دانست. 

 

شكل 4- طرحي ساده از ريزساختار واقعي گرافيت

 

 

تفاوت اين نوع ريزساختار از نوعي كه پيش‌تر تصور مي‌كرديم، يعني يك توده گسترده از ساختار گرافيت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافيت را يك ساختار يكپارچه و منظم از ساختار گرافيت كه در تمام توده گسترش يافته مي‌دانستيم در اين حالت نظم حاكم بر ساختار، يك نظم با دامنه بلند كه تمام توده را مي‌پوشاند در نظر گرفته مي‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافيت به صورت محلي و با دامنه‌هاي كوتاه مشاهده مي‌شود. اين بي‌نظمي در قرار گرفتن توده‌هاي داراي ساختار گرافيت باعث مي‌شود. تنوع و گوناگوني فراواني در بخش‌هاي گرافيت كه هر يك زاويه و جهت خاصي دارند، وجود داشته باشد. بنابراين هميشه بخش‌هايي كه زاويه و جهت مناسب براي حركت و كنده شدن لايه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگراني از جهت و زاويه قرار گرفتن مداد مي‌توانيم از نوشتن آن مطمئن شويم. 

 

نتيجه‌گيري 

عوامل تاثيرگذار در خواص توده‌اي مواد را به صورت اجمالي و ساده شناختيم. اين عوامل عبارت بودند از عناصر تشكيل دهنده مواد، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به صورتي ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يك شهر بدانيم. عناصر تشكيل دهنده مواد به صورت مصالح بكار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد كه چگونگي قرارگرفتن عناصر در كنار يكديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌كند به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار كه چگونگي كنار هم قرار گرفتن ساختار ميكروسكوپي را معين مي‌كند، به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته مي‌شود. با اين تشبيه خصوصيات يك شهر نه تنها به مصالح(تركيب شيميايي بكار رفته در آن) بلكه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازي(ريزساختار) نيز بشدت وابسته خواهد بود.