המבנה הגבישי

סקירה היסטורית בתחום מדע הקרסטלוגרפיה

בשנת 1913 פענח ויליאם בראג (האב) את המבנה של מלח הבישול. בשנת 1914 זכה הפיסיקאי הגרמני מקס פון לאווה בפרס נובל על תגליתו בתחום קרני ה-X בגבישים. לאווה גילה שקרני ה-X נשברות כאשר הן עוברות דרך הגביש. לאווה מצא כי קרינה זו היא קרינה אלקטרו-מגנטית בעלת אורכי גל קצרים (אנגסטרמים בודדים), והציע לנצל את קרני ה-X על-מנת ליצור "דמות" (תמונה) של חומרים גבישיים לפי צורת התאבכות קרני ה-X דרך החומרים הללו. הרעיון היה להקרין את הגביש בקרינת x שתפזר בהפרשי פאזה קבועים ביחס לקרניים הפוגעות. לאווה קיבל תבנית של נקודות (כתמים) שנבעה משבירת קרני ה-X על-ידי האטומים המסודרים במישורי הגביש. מתוך עוצמת הקרינה המוחזרת ניתן להסיק על כיווניות האטומים בגביש, ולאפיין את המבנה הגבישי. ממצאיו של לאווה היו הוכחה לכך שגבישים עשויים בעצם מאטומים שמסודרים באופן מחזורי במישורים. לאווה נתקל בקשיים בפענוח התמונות שהתקבלו מקרינת ה-X. הבעיה של לאווה נפתרה על-ידי שני מדענים אנגליים, אב ובנו, ויליאם ולורנס בראג, אשר זכו על-כך בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1915. ויליאם ולורנס בראג הסיקו ממחקרם כי סידור האטומים בגביש יוצר מישורים מקבילים בעלי מרווח זהה. נוסחת בראג הקרויה על שמם, פישטה את תהליך הבנת המבנה הגבישי של החומר.

גביש

גביש הינו סידור מחזורי של האטומים בחומר המוצק. כאשר מתארים את הגביש צריך להפריד בין מחזור החזרה (הסריג) לבין המבנה הבסיסי החוזר על עצמו (תא היחידה).

סידור אטומי המוצק

חומר מוצק הינו בדרך-כלל בעל סידור אטומים מחזורי, המכונה מבנה גבישי. לעיתים הסידור האטומי יהיה בדומה לנוזל אך ורק לטווח קצר, אז אנו אומרים שמדובר בחומר אמורפי או זכוכיתי. ניתן להתייחס אל המבנה הזכוכיתי כאל נוזל שקפא בשל קירור מהיר וחוסר זמן להתגבש. החלקיקים המרכיבים את הגביש יכולים להיות אטומים מתכתיים כאשר מדובר בקשר מתכתי, אז הגביש יהיה גביש מתכתי, או יונים כאשר מדובר בגביש יוני. מלח בישול שולחני הינו דוגמה מוכרת מחיי היום-יום לחומר יוני בעל מבנה גבישי. בנוסף לגבישים מתכתיים והיוניים, יישנם גם גבישים מולקולאריים, בהם החזרה על המבנה הבסיסי (תא היחידה) אינה של אטומים בודדים, אלא של מולקולות. הקשרים בתוך המולקולות הם קשרים קוולנטיים חזקים, ואילו בין המולקולות קיימים קשרים חלשים (קשרי ון-דר-וולס וקשרי מימן).

חד גביש ורב גביש

חומר הבנוי מגביש יחיד בלבד קרוי חד-גביש. בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה משתמשים בחד-גביש ענק של צורן (סיליקון), אותו חותכים לפרוסות דקיקות הקרויות wafer. בתום תהליך הייצור מכילה כל פרוסה כזו אלפי רכיבים אלקטרוניים. מרבית החומרים הגבישיים אינם חד-גבישים, אלא הם מורכבים מאוסף רב של גבישים (גרעינים). חומר המכיל מספר רב של גבישים המסודרים בכיוונים שונים קרוי רב-גביש. תהליך יצירת הגבישים קרוי התגבשות. במהלך התמצקותו של חומר רב-גבישי, מתחילים להיווצר גבישים קטנים, המכונים עוברים, במקומות שונים בנוזל. הגבישים הללו גדלים על-ידי כך שהם אוספים אליהם אטומים מתוך הסביבה הנוזלית. האטומים בגבולות הגרעין אינם בעלי סידור גבישי מושלם, והם מכילים פגמים שונים כגון אטומים זרים (זיהומים), הנעים אל הגבולות במהלך ההתמצקות.

תא יחידה וסריג

כאשר מוצק הינו בעל מבנה גבישי, האטומים מסודרים במבנה מחזור, כאשר היחידה הבסיסית החוזרת על עצמה קרויה תא יחידה. תא היחידה הינו היחידה הבסיסית ביותר המראה את הסימטריה המלאה של הגביש. סריג הינו הסידור התלת-ממדי הנוצר על-ידי תאי היחידה המרכיבים את הגביש.

סימטריה של סריגים

אחת הדרכים להסביר את הסימטריה של סריגים היא על-ידי בחינת הסימטריה והמחזוריות ביצירותיו של הצייר ההולנדיEscher, המכילות שיקוף, סיבוב וחזרות רבות לכיוונים שונים של אותו המוטיב. תא היחידה הוא היחידה הפשוטה ביותר החוזרת על עצמה במבנה. מדובר במודל גיאומטרי, המשמש על-מנת לתאר את הסדר של האטומים בחומרים מוצקים. במודל הגיאומטרי על האטומים להיות מסודרים באותו האופן בכל תא יחידה. ישנן 7 צורות כאילו שיכולות לחזור על עצמן ועל-ידי כך לתאר את המבנה הגבישי: מבנה קובי, טטרגונל, אורטורומבי, רומבוהדרלי, הקסגונל, מונוקליני, טריקליני (זהו המבנה הכללי, שכל שאר הצורות הם מקרים פרטיים שלו).

סריגי ברווה

קיימים 14 מקרים אפשריים של תאי יחידה שיתארו את סידור האטומים במבנה הגבישי: קובי פשוט, קובי מרוכז גוף, קובי מרוכז פנים, טטרגונל פשוט, טטרגונל מרוכז גוף, מונוקליני פשוט, מונוקליני מרוכז בסיסים, אורטורומבי פשוט, אורטורומבי מרוכז גוף, אורטורומבי מרוכז פנים, אורטורומבי מרוכז בסיסים, רומבוהדרלי, הקסגונלי, טריקליני.

הידעת? פרס נובל לכימיה לשנת 2011 לפרופ' דן שכטמן. בשנת 1984 התחוללה מהפכה עולמית בתחום חקר תורת הגבישים. זאת בעקבות פרסום מאמרו של פרופ' דן שכטמן מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון, בדבר גילויים של גבישים בעלי "סימטריה סורה". הגבישים הללו, המכונים 'קווזי-גבישים' התגלו ונחקרו על ידי פרופ' שכטמן כבר בשנת 1982, אולם, בשל ספקנות רבה מצד עמיתיו בקהילה המדעית, נדרשו עוד שנתיים נוספות עד אשר המאמר זכה להתפרסם. ייחודם של הקווזי-גבישים הוא בכך שהם נעדרים את חוקי "הסימטריה הגבישית הקלאסית המגדירה "גביש" כמבנה תלת-ממדי מסודר בעל מחזוריות אטומית לאורך שלושת ציריו הראשיים. בעקבות תגליתו של פרופ' שכטמן נמצאו מאות גבישים חדשים, שנחשבו עד אז כבלתי אפשריים, וכן נתגלה כי המבנה הקווזי-גבישי משפיע על תכונות החומר. לדוגמה, חומרים קווזי-גבישים הם מוליכים גרועים של חשמל וחום, אך הם בעלי קשיות גבוהה. בשנת 2011 זכה דני שכטמן בפרס נובל לכימיה על מחקרו פורץ הדרך בתחום הגבישים הקוואזי-מחזוריים.