Kristal Yapılar

Kristal Yapılar

           

            Bir önceki yazımda kaleme almış olduğum malzeme gruplarının kafanızda tam olarak oturduğunu düşünmekteyim. Fakat malzeme biliminin temeli olarak nitelendirdiğim kristal yapılara o yazımda yer verememiştim. Yine her zamanki, öncelikle tanımları, terimleri ve modelleri kafamızda iyi modellemeliyiz.

            Kristal yapı ne demektir? Buyurun aşağıya..

• Kristal Yapı

      Kısa bir tanım yapmak gerekirse, katıların atomları arasında görülen tekrarlayan düzen diyebiliriz. Doğru fakat yetersiz bir tanımdır. Ben bu terimi tanımlarken, kafamda kurmuş olduğum bir modeli size aksettirmek istiyorum.

1000 kişilik bir öğrenci kafilesi düşünelim. Bu kafilenin içinde illaki sıkı dostların olduğu ufak gruplar, bunların oluşturduğu nispeten daha büyük sınıflar ve sınıfında oluşturduğu nihayetinde 1000 kişilik bir kafile mevcut olsun. Örneğin, bir sınıf 20 kişilik olsun. Bu da kafile içerisinde 50 sınıf olduğunu gösterir. Her sınıfta gelişi güzel şekilde gruplaşmış 4,5 ve 6 şar lı küçük gruplar mevcut olsun. Beden eğitimi öğretmenleri düdük çaldığında, bu kafile hizalansın. Bir otorite üzerilerindeyken herkes aynı şekilde, kusursuz bir şekilde sıralanacaktır. Baktıkları yön ve aralarındaki mesafeler belirli olacaktır. 4 sıra oluşturup uzun ipler şeklinde veya 10 sıra oluşturup bir kare şeklinde dizilebilirler. Fakat bu kusursuz düzen, başlarında beden eğitimi öğretmenleri varken geçerlidir. Öğretmenleri onları serbest bıraktığında, bu kafile öncelikle sınıflarına ayrışacak, sonrada kendi küçük arkadaş gruplarınca kümeleşecektir. İki farklı duruma yukarıdan bakıldığında, öğretmen varken mükemmel bir düzen varken, öğretmen gittiğinde, çarpık, kısmen düzenli, yakın mesafelerde düzenli fakat uzak mesafelerde düzensiz bir şekil görülecektir.

İşte katılarda aynı şekildedir. Eğer otoriteyi sağlayıp, sıcaklığı ve basıncı doğru kontrol edebilirseniz, mükemmel dizilime geçerler. Aksine onları başı boş bırakırda bir yapı oluşturmalarını beklerseniz, kısa mesafede düzenli –bazıları uzun mesafede de düzenli- ama uzun mesafede düzensiz yapılarla karşılaşırsınız. Eğer katınız, kısa mesafede düzen kurmakta kısmen başarılı fakat uzun mesafelerde yetersiz ve kendini tekrarlayan yapılar oluşturamıyorsa, amorf katıdır. Ama amorf katının aksine, mikroskobik incelemeniz sonucunda, kendini tekrarlayan, atomlar arasında aynı mesafe bulunan ve belirli bir geometri oluşturan yapı müşahede ediyorsanız, katınız kristal yapılıdır.

Kristalin malzemeler, belirli bir geometride, atomları belirli mesafelerde duran element ve bileşiklerdir. Katı halde bulunurlar. Kristal yapıya sahip olan katılar, metaller, seramikler, bazı polimerler ve yine bazı camlardır. Camları seramiklerden ayrı olarak nitelendirdim çünkü camlar kısa düzene sahip olmalarına karşın, uzun mesafeli düzene sahip değillerdir. Oysaki, çoğu seramikte kristalite görülür.

• Kristal Yapı Çeşitleri

      Kristalitenin keşfi maden ve mineral bilimine dayanmaktadır. Metal, metal oksit ve hidratların mineral halde olduğunun keşfini takip etmiştir. Kristaller ve kristallerin belirli bir oryantasyonda olduğu İngiliz mineralog William Hallowes Miller tarafından 1832 yılında bulunmuştur. Miller, mineralleri incelerken, belirli bir ufacık yapının sürekli tekrar ettiğini fark etmiştir. Bu en küçük tekrarlayan yapıya “birim hücre” demiştir. Ve bu birim hücrelerin 3 boyutlu olarak kendini tekrarlamasıyla katıda bir düzen oluştuğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, bu birim hücrelerin karakteristik özellikleri vardı ve her biri farklı minerallere aitlerdi. Miller, hangi mineralin hangi kristal yapıya sahip olduğunu bildiğinden, mineralin teşhisi çok çabuk yapabiliyordu. Miller’in çalışmalarından etkilenen Auguste Bravais 1850 yılında yayınladığı makalesi ile, 7 adet temel birim hücreyi ve bunların mineralden minerale değişmediğini sadece birim hücrenin bir ve/veya başka ölçülerinin değiştiğini ortaya koydu.

Bravais’in buluşu doğruydu. 7 adet birim hücre tüm kristal katılar için geçerliydi. Fakat bunların kendi alt kümeleriyle olan kombinasyonları ve her birim hücrenin ölçü farkı vardı. Bu da her kristalin adeta bir kimyasal etiketiydi. Günümüzde kabul gören ve defalarca ispatlanan “Kristalite Kanununca” temelde 7 , bunlarında kendi içinde kombinasyonlarıyla 243 birim hücre gözlenmiştir.

7 adet temel birim hücreyi, basit kübik, triklinik, monoklinik, ortorombik, rombohedral, tetragonal ve hegzagonal olarak yazabilirim. Bu 7 adet temel birim hücrenin, hacim merkezli, yüzey merkezli, taban merkezli olanlarıyla birlikte, 14 adet Temel Bravais Hücresi tanımlayabiliriz. 14 adet Temel Bravais Hücresi aşağıdadır.

(Kaynak : Callister, Jr., Willam D. (2007) (İngilizce). Material Science and Engineering: An Introduction. ABD: John Wiley & Sons, Inc.. 978-0-471-73696-7.)

Yukarıda gördüğünüz tabloda belkide aklınıza gelmeyen bir soruyu size yöneltmek istiyorum. 7 adet kafes mevcut. 4 adette Bravais kafesi mecvut. Her 7 birim hücrenin 4 adet Bravais kafesi olsaydı, 28 adet farklı dizilimde temel birim hücre olacaktı. Neden 14 adet var?
Görüldüğü üzere hacim merkezli, yüzey merkezli, taban merkezli gibi Bravais kafesleri, hegzagonal, rombohedral ve triklinik yapıda yoktur. Çünkü, eğer bu 3 temel hücrede herhangi bir Bravais yapısı olsaydı, bu yapılar geriye kalan 4 tane temel kafeslerden birini tekrarlayacaktır. En küçük kafesi temel aldığımızdan dolayı, Bravais kafesleri tüm temel kafesler için mümkün değildir. Çünkü kendinden küçük ve daha basit bir yapı oluşturacağından, kendisi Bravais kafesi sayılamaz.

Tüm bu kristallerden farklı olarak, evlerimizde ve hayatımızda bir çok alanda kullandığımız cam ( amorf silisyumdioksit) herhangi bir düzene sahip değildir. Onunda kristal düzeni aşağıdadır.

Tabi ki tüm bu hücrelerden farklı özel olarak tanımlanan hücrelerde mevcuttur. En çok bilineni ve bence en önemli olanı “diamond cubic” olarak tanımlanan, tetrahedral –düzgün dört yüzlü- adıylada bilinen yapıdır. Elmas tipi kristaldir. Kalkinojen grubu elementleri ( IV A) Elmas tipi kristal oluşturur. Örneğin, Metan (CH4), Elmas (C), Si, Ge.

            Tetrahedral yapıdan farklı olarak bilinen 3 önemli yapıyı daha arz edeyim. “Zinc Blend” (ZnS) , Perovskite (CaTiO3 , BaTiO3) ve Rutil (TiO2) .

            Bu 4 özel yapınında şematik gösterimleri aşağıdadır.

Perovskite

Diamond Cubic (Tetrahedral)

Rutile

            Katıların, kristal ve kristal olmayan olarak iki sınıfta ayrıldığını dile getirdim. İlk başta vermiş olduğum “kafile” modelinin bu konuyu daha kolay anlaşılır hale getirebileceğini düşünüyorum. Tekrarlıyorum, sadece resimleri başka kaynaklardan almaktayım. Tüm çalışmalarım, yazılarım ve modellerime şahsıma aittir. Sizleri daha fazla sıkmamak adına ve kristal hatalarınında çok detaylı ve önemli olması nedeniyle “kristal hataları” adlı yazımı haftaya bırakıyorum. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi