Επιστήμονες Προχωρούν στην Κατανοή των Κρυσταλλικών Συστημάτων στην Κρυσταλλογραφία

Οι κρύσταλλοι, η ενσάρκωση της τάξης και της ομορφιάς στη φύση, χαρακτηρίζονται από την εξαιρετικά τακτική διάταξη των ατόμων, ιόντων ή μορίων τους.Αυτή η ακριβής οργάνωση όχι μόνο δίνει στους κρυστάλλους τη μοναδική τους εμφάνιση αλλά καθορίζει επίσης τις φυσικές και χημικές ιδιότητές τουςΩστόσο, η ποικιλία των κρυστάλλων υπερβαίνει κατά πολύ την φαντασία μας, και η κρυσταλλογραφία έχει αναδειχθεί σε ένα πεδίο για την καλύτερη κατανόηση και μελέτη αυτών των ποικίλων δομών.Η έννοια των κρυσταλλικών συστημάτων χρησιμεύει ως κρίσιμο πλαίσιο ταξινόμησης, ομαδοποιώντας κρυστάλλους με παρόμοιες ιδιότητες συμμετρίας για να αποκαλύψει την εγγενή σχέση μεταξύ της δομής και των χαρακτηριστικών τους.

Στην κρυσταλλογραφία, έναΚρυστάλλινο σύστημαείναι μια συλλογήομάδες σημείωνΜια ομάδα σημείων περιγράφει το σύνολο των λειτουργιών συμμετρίας, όπως η περιστροφή, η αντανάκλαση, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία, η αντιστοιχία.ή αντιστροφή που αφήνει ένα κρύσταλλο αμετάβλητο όταν εκτελείται γύρω από ένα σταθερό σημείο στο χώροΜε απλά λόγια, αν ένας κρύσταλλος παρουσιάζει μια συγκεκριμένη συμμετρία, ανήκει στο αντίστοιχο κρυσταλλικό σύστημα.

Στενά συνδεδεμένη με τα κρυστάλλινα συστήματα είναι η έννοια τουσυστήματα πλέγματος, οι οποίες αναφέρονται σε συλλογέςΠλακέτες BravaisΤα πλέγματα Bravais είναι άπειρες, διακριτές σειρές σημείων στο χώρο που παρουσιάζουν συγκεκριμένη μεταβατική συμμετρία.

Χωρολογικές ομάδεςπεριγράψτε την πλήρη συμμετρία ενός κρύσταλλου στο χώρο, συμπεριλαμβανομένης τόσο της μεταβατικής συμμετρίας όσο και της συμμετρίας ομάδας σημείων.Η ταξινόμηση των ομάδων χώρου εξαρτάται από την ομάδα σημείων τους (συνδέοντάς τους με ένα κρυστάλλινο σύστημα) και το πλέγμα Bravais τους (συνδέοντάς τους με ένα πλέγμα σύστημα).

Για την περαιτέρω απλούστευση της ταξινόμησης των κρυστάλλων, η κρυσταλλογραφία εισάγει την έννοια τουΟικογένειες κρυστάλλωνΜια οικογένεια κρυστάλλων είναι μια ευρύτερη μονάδα ταξινόμησης που σχηματίζεται από τη συγχώνευση κρυσταλλικών συστημάτων που μοιράζονται το ίδιο σύστημα πλέγματος.εάν οι ομάδες χώρου πολλών κρυσταλλικών συστημάτων αντιστοιχούν στο ίδιο σύστημα πλέγματος, αυτά τα κρυστάλλινα συστήματα ομαδοποιούνται σε μία οικογένεια κρυστάλλων.

Στον τρισδιάστατο χώρο, υπάρχουν επτά ξεχωριστά κρυστάλλινα συστήματα:

• Το σύστημα κρυστάλλων της κλινικής:Αυτό το σύστημα έχει τη χαμηλότερη συμμετρία, με άξονες μονάδων κυττάρων άνισου μήκους και γωνίες που είναι όλες διαφορετικές από 90°.
• Μονοκλινικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Το κελί μονάδας έχει δύο κάθετους άξονες, αλλά ο τρίτος άξονας δεν είναι κάθετος στους άλλους δύο.
• Ορθορμβικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Όλοι οι τρεις άξονες είναι κάθετοι ο ένας στον άλλο αλλά έχουν άνιση μήκος.
• Τετραγωνικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Οι τρεις άξονες είναι κάθετοι, με δύο άξονες ίσου μήκους και τον τρίτο άξονα διαφορετικού μήκους.
• Τριγωνικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Διαθέτει τριπλό άξονα περιστροφής, με όλους τους τρεις άξονες ίσου μήκους και ίσες γωνίες που δεν είναι 90°.
• Εξαγωνικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Έχει έξι άξονες περιστροφής, με δύο άξονες ίσου μήκους και γωνία 120° μεταξύ τους, ενώ ο τρίτος άξονας είναι κάθετος προς τους άλλους δύο.
• Κουβικό Κρυστάλλινο Σύστημα:Το υψηλότερο σύστημα συμμετρίας, με τρεις κάθετους άξονες ίσου μήκους.

Σημειώστε ότι τα τριγωνικά και εξαγωνικά κρυστάλλινα συστήματα συγχωνεύονται στην εξαγωνική οικογένεια κρυστάλλων λόγω της κοινής τριπλής περιστροφικής συμμετρίας και της αντιστοιχίας τους με το εξαγωνικό σύστημα πλέγματος.

Τα κρυστάλλινα συστήματα, τα συστήματα πλέγματος και οι οικογένειες κρυστάλλων αντιπροσωπεύουν τρία ιεραρχικά επίπεδα ταξινόμησης κρυστάλλων:

• Συστήματα πλέγματοςαντικατοπτρίζουν τη μεταβατική συμμετρία των κρυσταλλικών δομών, περιγράφοντας την περιοδικότητα των ατομικών ρυθμίσεων.
• Κρυστάλλινα συστήματααντικατοπτρίζουν τη συμμετρία ομάδας σημείων των κρυσταλλικών δομών, περιγράφοντας την ικανότητά τους να υποβάλλονται σε λειτουργίες συμμετρίας γύρω από ένα σταθερό σημείο στο χώρο.
• Οικογένειες Κρυστάλλωνείναι ευρύτερες ταξινομήσεις που συγχωνεύουν κρυστάλλινα συστήματα που μοιράζονται το ίδιο σύστημα πλέγματος.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα κρυστάλλινα συστήματα και τα συστήματα πλέγματος έχουν μια αντιστοιχία ένα προς ένα.καθώς και τα δύο αντιστοιχούν στο σύστημα εξαγωνικού πλέγματος και συγχωνεύονται έτσι στην οικογένεια εξαγωνικών κρυστάλλων.

Πέρα από τα κρυστάλλινα συστήματα, άλλες έννοιες περιγράφουν την κρυστάλλινη συμμετρία:

• Κεντρική συμμετρία:Μια κρυστάλλινη δομή είναι κεντροσυμμετρική αν κάθε άτομο έχει ένα συμμετρικό αντίστοιχο γύρω από ένα κεντρικό σημείο.
• Χιρατικότητα:Οι χιραλικοί κρύσταλλοι δεν μπορούν να επιβληθούν στις εικόνες τους στον καθρέφτη.
• Πολικότητα:Ένας πολικός κρύσταλλος έχει μια κατεύθυνση (πολικός άξονας) όπου οι φυσικές ή γεωμετρικές ιδιότητες διαφέρουν από την αντίθετη κατεύθυνση του.Οι πολικοί κρύσταλλοι παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρικά ή πυροηλεκτρικά αποτελέσματα και υπάρχουν μόνο σε μη κεντροσυμμετρικές δομές.
• Ενασιομορφικές ομάδες χώρου:Σε 3D χώρο, υπάρχουν 65 τέτοιες ομάδες, συχνά σχετικές με βιολογικά μακρομόρια όπως οι πρωτεΐνες.

Πλακέτες BravaisΑποτελούνται από άπειρες, διακριτές σειρές όπου κάθε σημείο έχει το ίδιο περιβάλλον.Τα πλέγματα Bravais ορίζονται απόΒέκτορες βάσης, τα οποία παράγουν όλα τα σημεία πλέγματος μέσω συνδυασμών ακέραιων αριθμών.

Στον τρισδιάστατο χώρο, υπάρχουν 14 πλέγματα Bravais, ταξινομημένα σε επτά συστήματα πλέγματος:

• Τρίκλινικ Λάτις:Χαμηλή συμμετρία, άξονες άνισου μήκους και γωνίες που δεν είναι 90°. Μόνο ένα πλέγμα Bravais (πρωτόγονη).
• Μονοκλινική Διάφραξη:Δύο κάθετοι άξονες, τρίτος άξονας μη κάθετος, δύο πλέγματα Bravais (πρωτόγονοι και με βάση το κέντρο).
• Ορθορμβικό πλέγμα:Τρεις κατακόρυφοι άξονες άνισου μήκους.
• Τετραγωνικό πλέγμα:Τρεις κατακόρυφοι άξονες, δύο ίσων μήκων, ένας άνισος, δύο πλέγματα Bravais (πρωτόγονες και με κέντρο το σώμα).
• Ρομβοεδρικό πλέγμα:Τρεις άξονες ίσου μήκους με ίσες γωνίες εκτός των 90°.
• Εξαγωνικό πλέγμα:Δύο άξονες ίσου μήκους σε 120°, τρίτος κάθετος άξονας.
• Κουβικό πλέγμα:Τρεις κάθετοι άξονες ίσου μήκους.

• 2D χώρος:Τέσσερα κρυστάλλινα συστήματα, ολισθηρό, ορθογώνιο, τετράγωνο και εξάγωνο, το καθένα αντιστοιχεί σε ένα σύστημα πλέγματος.
• 4D χώρος:Υπάρχουν 23 οικογένειες κρυστάλλων, με σύνθετες ταξινόμηση με βάση τέσσερις άξονες και έξι διααξονικές γωνίες.

Τα κρυστάλλινα συστήματα αποτελούν ακρογωνιαίο λίθο της κρυσταλλογραφίας, επιτρέποντας την ταξινόμηση των κρυστάλλων με βάση τη συμμετρία και φωτίζοντας τη σχέση μεταξύ δομής και ιδιοτήτων.,Τα συστήματα πλέγματος, και σχετικές έννοιες συμμετρίας, οι ερευνητές αποκτούν βαθύτερες γνώσεις για τη συμπεριφορά και τις εφαρμογές των κρυσταλλικών υλικών.