Kristal

Kristal, billur ya da kesme cam, kimyadaki katı haldeki bir elementin veya bileşiğin, molekül, atom veya iyon yığınlarının (paketinin) kesin geometrik bir yapı göstermesidir.

Bir kristal veya kristal katı, bileşenleri her yöne uzanan bir kristal kafes oluşturan, yüksek dereceli bir mikroskobik yapıda düzenlenmiş katı bir malzemedir. Makroskopik tek kristaller genellikle spesifik, karakteristik yönelimlere sahip düz yüzlerden oluşan geometrik şekilleri ile tanımlanabilir.

Kristallerin ve kristal oluşumunun bilimsel çalışması kristalografi olarak bilinir. Kristal büyüme mekanizmaları yoluyla kristal oluşum sürecine kristalleşme veya katılaşma denir.Büyük kristallerin örnekleri arasında kar taneleri, elmaslar ve sofra tuzu bulunur.

Çoğu inorganik katılar kristaller değil, polikristaller, yani tek bir katı halinde birbirine kaynaşmış birçok mikroskobik kristallerdir. Polikristal örnekleri çoğu metal, Kaya, seramik ve buz içerir. Katıların üçüncü bir kategorisi, atomların periyodik bir yapıya sahip olmadığı amorf katılardır. Amorf katıların örnekleri arasında cam, Balmumu ve birçok plastik bulunur.

Kristal atomları periyodik düzenlemede katıdır ve mikroskobik düzenlemeye dayanır. Tüm küçük kristaller atomların periyodik bir düzenlemeye sahip gerçek kristaldir, ancak tüm polikristal atomların periyodik bir düzenlemeye sahip değildir, çünkü periyodik desen tane sınırlarında kırılır. Makroskopik inorganik katıların çoğu, neredeyse tüm metaller, seramikler, buzlar, kayalar vb. dahil olmak üzere polikristaldir.^[1]

Amorf, cam gibi olan katılara denir ve bunların belli bir periyodu yoktur. Birim hücreler kristali oluşturmak için üç boyutlu uzayda istiflenir. Kristalografik uzay grupları olarak adlandırılan 219 Olası kristal simetrisi vardır.

Kristal yüzeyleri, keskin açılara sahip düz yüzeylerden oluşur. Şeklinin böyle olması zorunlu değildir ancak mikroskobik inceleme açısından kolaydır. Euhedral kristaller, belirgin, iyi şekillendirilmiş düz yüzlere sahip olanlardır. Anhedral kristaller, genellikle kristal polikristalin bir katıda bir tane olduğu için yapmaz.Bir kristal büyüdükçe, yeni atomlar yüzeyin daha pürüzlü ve daha az kararlı kısımlarına kolayca bağlanır, ancak düz, kararlı yüzeylere daha zor bağlanır.^[2]

Kristal yüzeylerini ölçmek ve kristal simetrisini anlamak için Kristalografi kullanılır. Kristal yapısı ağ ve kristalin oluşturduğu koşullarca ayarlanır.

Dünyadaki en büyük kristal konsantrasyonları hacim ve ağırlık olarak ana kayanın bir parçasıdır. Kayalarda bulunan kristallerin boyutları genellikle bir milimetre ile birkaç santimetre arasında değişir. Fakat son derece büyük kristalleri görmekte mümkündür.

Dünyanın doğal olarak oluşan, bilinen en büyük kristali 1999 yılında Madagaskar, Malakialina'da görülmüş olan 18 m uzunluğunda, 3.5 m çapında ve 380.000 kg ağırlığındaki beril kristalidir.^[3]

Bazı kristaller magmatik ve metamorfik süreçlerle oluşmuş ve büyük kristal kaya kütlelerinin kökenini oluşturmuştur. Magmatik kayaçların büyük bir kısmı erimiş magmadan oluşur ve kristalleşme derecesi öncelikle katılaştıkları koşullara göre belirlenir. Granit gibi yavaş ve büyük baskı altında soğutulan kayaçlar, tamamen kristalleşmiştir. Ancak yüzeye dökelen birçok lav türünün ve çok hızlı bir şekilde soğutulması nedeniyle amorf veya camsı maddelerin yaygınlığı artmıştır. Diğer kristal kayaçlar, mermerler, mika-şistler ve kuvarsitler gibi metamorfik kayaçlar yeniden kristalleştirilebilirler. Kireçtaşı, şeyl ve kumtaşı gibi ilk fragmental kayalar ise erimezler ve tamamen çözelti içinde değillerdir. Ancak metamorfizmanın yüksek sıcaklık ve basınç koşulları ile orijinal yapıları silinerek katı halde kristalleşmeye başlarlar.^[4]

Diğer kaya kristalleri, drüsleri veya kuvars damarlarını oluşturmak için sıvılardan, genellikle sulu çözeltilerden oluşmuştur. Halit (mineral), alçı ve bazı kireçtaşları gibi evaporitler, çoğunlukla kurak iklimlerde buharlaşma nedeniyle sulu çözeltiden meydana gelmiştir.

Dünya'da kar, deniz buzu ve buzullar şeklindeki yaygın kristaller polikristal yapıdadır.^[5] Tek bir kar tanesi tek bir kristal veya kristallerin bir koleksiyonudur.^[6] Buz küpü bir polikristaldir.^[7]

Birçok canlı organizma ve omurgalılar yumuşak veya hidroksilapatit durumunda olan kalsit ve aragonit gibi kristaller üretebilir.

Bir Atom Grubu birden çok şekilde katılaşabilir. Polimorfizm, bir katının birden fazla kristal formunda var olma kabiliyetidir.Farklı polimorflara genellikle farklı fazlar denir fakat aynı atomlar farklı oluşum da gösterebilir. Bir madde kristal oluşturabiliyorsa polikristal de oluşturabilir.^[8]

Polimorfizm allotropi saf kimyasal maddeler için kullanılır.

Polimorflar aynı atomlara sahip olmasına rağmen farklı özelliklere sahiptir. Poliamorfizm, aynı atomların birden fazla amorf katı formda var olabilecek benzer bir olgudur.

Kristalleşme karmaşık yapıya sahiptir çünkü birden fazla forma dönüşebilir. Belki de çeşitli olası fazlar, stokiyometriler, safsızlıklar, kusurlar ve alışkanlıklar ile tek bir kristal oluşturabilir veya tanelerinin büyüklüğü, düzenlemesi, oryantasyonu ve fazı için çeşitli olasılıklara sahip bir polikristal oluşturabilir. Maddenin katı olmasındaki son şekle, yapı basınç ve sıcaklık gibi unsurlar karar verir.^[9]

Büyük tek kristaller üretmek için farklı endüstriyel işlemler uygulanır. Bu kristaller anca jeolojik süreçler içerisinde oluşur. Kristal oluşumunu sağlayan etkenler olduğu gibi, oluşumu engelleyen etkenler de vardır ve bunlar organizmalardır.

Mükemmel bir şekilde tekrar eden desenlere sahip olan kristtaller en ideal kristallerdir. Ancak bazı kristallerde kristalin deseninin kesildiği çeşitli yerler bulunur. Bu yerleri kristalografik kusurlar olarak adlandırırız. Kristalografik kusurların, türleri ve yapılarını ele aldığımızda malzemelerin özellikleri üzerinde önemli biri etkisi vardır.^[10]

Boşluk kusurları (bir atomun uyması gereken boş bir alan), geçiş boşlukları (uymadığı yerde sıkışan ekstra bir atom) ve çıkıklar kristalografik kusurlara örnek olarak verilebilir.

Özellikle çıkıklar, malzemelerin mekanik mukavemetini belirlemeye yardımcı olduklarından malzeme bilimi için büyük önem taşırlar.

Yaygın kristalografik kusur tiplerinden bir diğeri ise safsızlıktır. Safsızlık, bir kristalde bulunan yanlış atom türüdür. Örneğin, kusursuz bir elmas kristali yalnızca karbon atomları içerir.

Ancak bazı kristallerde birkaç bor atomunun içerdiği gözlenmiştir. Elmasın renginin maviye dönmesine bu bor safsızlıkları neden olur.

Yarı iletkenlerde kristalin elektriksel özelliklerini büyük ölçüde değiştiren depant adı verilen özel bir safsızlık tipi mevcuttur.

Transistörler gibi yarı iletken cihazlar yarı iletken maddeleri farklı yerlere, belli modellerde koyarlar.

Başka bir kusur çeşidi ise eşleştirmedir. Eşleştirme, kristalografik bir kusur ile bir tane sınırı arasında olur. İkiz bir sınırın iki tarafında farklı kristal yönelimleri bulunur. Bunların bir tane sınırından farkı ise yönelimler rastgele değil, bir ayna görüntüsü biçimindedir.

Kristal düzlem yönelimlerinin yayılımına mozaiklik denir. Mozaik bir kristalin daha küçük bir kristalin birbirlerine göre yanlış hizalanmış birimlerinden oluştuğu varsayılmaktadır.

Katıların bir arada tutunabilmesi için metalik bağlar, iyonik bağlar, kovalent bağlar, van der walls bağları gibi çeşitli kimyasal bağlara ihtiyaç duyarlar. Bunları kristal ya da kristal değil diye adlandıramayız. Ancak bazı eğilimlerine aşağıda yer verilmiştir.

Metaller genellikle polikristaldir. Ancak amorf metal ve tek kristalli metaller gibi istisnalar mevcuttur. İyonik bileşikli malzemeler ise genellikle kristal veya polikristaldir. Büyük tuz kristallerinin oluşması için erimiş bir sıvının katılaşması veya bir çözeltiden kristalleşme meydana gelmesi gereklidir. Elmas ve kuvars kovalent olarak bağlanmış katıların en yaygınıdır. Moleküler katılar gibi kristallerin yanı sıra grafitte ara katman bağını bir araya getiren kuvvet zayıf van der walls kuvvetleridir. Polimer malzemeler genellikle kristalin bölgelerini oluşturacaktır. Ancak polimerler şekilsiz olduğu için moleküllerin uzunlukları tam kristalleşmeyi önlemektedir.

Bir yarı kristal, periyodik olmayan atom dizilerinden oluşur. Pürüzsüz, düz yüzeylerle şekiller oluşturma yeteneği ve X ışını kırımında ayrı bir desen görüntüleme gibi kristallerle birçok özelliğe sahiptirler.

Yarı kristaller, beş kat simetri gösterme özellikleri ile ünlüdür. Bu durum sıradan bir periyodik kristal için mümkün değildir. Kristalografik sıralama teoremine göre bir kristalin dönme simetrileri iki kat üç kat dört kat ve altı kat ile sınırlıydı. Ancak Shechtman tarafından 1982 yılında keşfedildiğine göre yarı kristaller beş kat gibi kırınım deseni simetrileri ile ortaya çıkabilirler.

Uluslararası Kristalografi Birliği, ''kristal'' terimini hem sıradan periyodik kristaller hem de kuasikristalleri (ayrık bir kırınım diyagramına sahip herhangi bir katı) içerecek şekilde yeniden tanımlamıştır.^[11]

Yarı kristaller pratikte oldukça nadirdir. 2004 yılında bilinen yaklaşık 400.000 periyodik kristal mevcuttur.Ancak yalnızca 100 katı madde kuasikristallerden oluşmuştur.^[12] Yarı kristali keşfettiği için 2011 yılında Nobel Kimya ödülü Dan Shechtman'a verilmiştir.^[13]

Kristaller, cam ve polikristallerin normalde yapamayacağı belirli özel elektrik, optik ve mekanik özelliklere sahiptirler. Bu özellikler kristalin atomik düzenlenmesinde dönme simetrisinin olmamasıyla yani anizotropisiyle ilgilidir. Bu özellik, bir voltajın kristali küçültebileceği veya gerebileceği piezoelektrik etkidir. Bir diğeri ise kristale bakarken çift görüntünün sağlandığı çift kırılmadır. Ayrıca bir kristalin farklı yönlerinde elektrik iletkenliği, elektrik geçirgenliği ve young'un modülü gibi çeşitli özellikleri farklılık gösterebilir. Örneğin, grafit kristalleri bir yığın tabakadan oluşur ve her bir tabaka mekanik olarak çok güçlüdür. Buna rağmen tabakalar gevşek bir şekilde birbirine bağlıdır. Bu yüzden malzemenin mekanik dayanıklılığı gerilme yönüne bağlı olarak farklılık gösterir.

Bu özelliklere tüm kristaller sahip değildir. Aslında bu özellikler kristallere özgü özellikler değildir. Yalnızca çalışma veya stres ile anizotropik hale getirilmiş gözlüklerde veya polikristallerde (örneğin strese bağlı çift kırılma) ortaya çıkabilir.

Birleşmiş Milletler Temmuz 2012'de, 2014'ün Uluslararası Kristalografi yılı olacağını ilan ederek kristalografi biliminin önemini kabul etmiştir.^[14] "Kristalografi" kelimesi Yunanca "soğuk damla, dondurulmuş damla" kelimelerinden türetilmiştir. " Kristalografi'' bir kristalin atomik düzenlemesini yani kristalin yapısını ölçen bilim dalıdır. Bilinen kristal yapılar çok sayıda kristalografik veri tabanlarında saklanır.

Yaygın olarak kullanılan kristalografi tekniklerinden biri X ışını kırınımıdır. X ışını kırınım kristalografisi geliştirilmeden önce kristaller üzerinde yapılan çalışmalar, bir gonyometre kullanarak geometrilerinin fiziksel ölçümlerinin yapılmasına dayanıyordu.^[15]