عيب بيني

في علم المواد ، يُعرف العيب البيني بأنه نوع من العيوب البلورية النقطية، حيث تشغل ذرة من نفس النوع أو من نوع مختلف موقعًا بينيًا في البنية البلورية . عندما تكون الذرة من نفس نوع الذرات الموجودة مسبقًا، تُعرف باسم العيب البيني الذاتي . كذلك، قد تشغل ذرات صغيرة في بعض البلورات مواقع بينية، مثل الهيدروجين في البلاديوم . يمكن إنتاج العيوب البينية عن طريق قذف البلورة بجسيمات أولية ذات طاقة أعلى من عتبة الإزاحة لتلك البلورة، ولكنها قد توجد أيضًا بتراكيز منخفضة في حالة التوازن الديناميكي الحراري . يُمكن أن يُؤدي وجود العيوب البينية إلى تغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة.

بدأ البحث في مفهوم المركبات البينية في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، وغالبًا ما تُسمى أطوار هاغ نسبةً إلى غونار هاغ . ^{[ 1 ]} تتبلور الفلزات الانتقالية عمومًا إما في بنية سداسية متراصة أو بنية مكعبة مركزية الوجوه ، وكلاهما يُمكن اعتباره مكونًا من طبقات من الذرات المتراصة سداسيًا. في كلتا الشبكتين المتشابهتين جدًا، يوجد نوعان من الفراغات البينية:

• يوجد ثقبان رباعيا الأوجه لكل ذرة معدنية، أي أن الثقب يقع بين أربع ذرات معدنية.
• يوجد ثقب ثماني الأوجه واحد لكل ذرة معدنية، أي أن الثقب يقع بين ست ذرات معدنية.

وقد اقترح الباحثون الأوائل ما يلي:

• لم تتأثر الشبكة المعدنية بشكل كبير بالذرة البينية
• كانت الموصلية الكهربائية مماثلة لتلك الخاصة بالمعدن النقي
• كان هناك تنوع في التكوين
• تم تحديد نوع الفراغ الذي يشغله حجم الذرة

لم يتم النظر إلى هذه على أنها مركبات، بل على أنها محاليل، على سبيل المثال الكربون، في الشبكة المعدنية، مع "تركيز" أعلى محدود للذرة الأصغر يتم تحديده من خلال عدد الفراغات المتاحة.

إن معرفة أكثر تفصيلاً ببنية المعادن، والأطوار الثنائية والثلاثية للمعادن واللافلزات، تُظهر ما يلي:

• بشكل عام، عند التركيزات المنخفضة للذرة الصغيرة، يمكن وصف الطور بأنه محلول، وهذا يقارب الوصف التاريخي للمركب البيني المذكور أعلاه.
• عند التركيزات العالية للذرة الصغيرة، قد توجد أطوار ذات هياكل شبكية مختلفة، وقد يكون لهذه الأطوار نطاق من القياسات الكيميائية .

ومن الأمثلة على ذلك قابلية ذوبان الكربون في الحديد. يشكل الحديد النقي، وهو شكل مستقر بين 910  درجة مئوية و1390  درجة مئوية، ويُعرف باسم حديد غاما، محلولاً صلباً مع الكربون يُسمى الأوستنيت ، والذي يُعرف أيضاً باسم الفولاذ .

العيوب الذاتية البينية هي عيوب بينية تحتوي فقط على ذرات هي نفسها الموجودة بالفعل في الشبكة.

تم تحديد بنية العيوب البينية تجريبياً في بعض المعادن وأشباه الموصلات .

على عكس ما قد يتوقعه المرء بديهيًا، فإن معظم الذرات البينية الذاتية في المعادن ذات البنية المعروفة لها بنية "منقسمة"، حيث تشترك ذرتان في نفس موقع الشبكة البلورية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} عادةً ما يكون مركز كتلة الذرتين عند موقع الشبكة البلورية، وهما مزاحتان بشكل متناظر عنه على طول أحد اتجاهات الشبكة الرئيسية . على سبيل المثال، في العديد من المعادن الشائعة ذات البنية المكعبة مركزية الوجوه (fcc) مثل النحاس والنيكل والبلاتين، تكون بنية الحالة الأرضية للذرة البينية الذاتية هي بنية البينية المنقسمة [100]، حيث تُزاح ذرتان في اتجاهين موجب وسالب [100] من موقع الشبكة البلورية. وبالمثل، في الحديد ذي البنية المكعبة مركزية الجسم (bcc)، تكون بنية الحالة الأرضية للذرة البينية هي بنية بينية منقسمة [110].

غالباً ما تسمى هذه الفراغات البينية المنقسمة بالفراغات البينية على شكل دمبل، لأن رسم الذرتين اللتين تشكلان الفراغ البيني بكرتين كبيرتين وخط سميك يربط بينهما يجعل الهيكل يشبه جهاز رفع الأثقال على شكل دمبل .

في المعادن الأخرى ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم غير الحديد، يُعتقد أن بنية الحالة الأرضية، استنادًا إلى حسابات نظرية الكثافة الوظيفية الحديثة ، هي [111] كراوديون بيني، ^{[ 4 ]} والذي يمكن فهمه على أنه سلسلة طويلة (عادةً ما تكون حوالي 10-20) من الذرات على طول اتجاه الشبكة [111]، مضغوطة مقارنة بالشبكة المثالية بحيث تحتوي السلسلة على ذرة إضافية واحدة.

في أشباه الموصلات، يكون الوضع أكثر تعقيدًا، إذ قد تكون العيوب مشحونة ، وقد تختلف هياكل حالات الشحنة المختلفة. على سبيل المثال، في السيليكون، قد يكون للذرات البينية بنية منقسمة [110] أو بنية رباعية الأوجه بينية حقيقية. ^{[ 5 ]}

يحتوي الكربون، وخاصة في الجرافيت والماس، على عدد من الذرات البينية الذاتية المثيرة للاهتمام - والتي تم اكتشافها مؤخرًا باستخدام حسابات تقريب الكثافة المحلية - وهي "الذرة البينية الحلزونية" في الجرافيت، والتي سميت على اسم سبيروبنتان ، حيث تقع ذرة الكربون البينية بين مستويين قاعديين وترتبط بهندسة مشابهة لهندسة سبيروبنتان. ^{[ 6 ]}

تتواجد ذرات الشوائب الصغيرة عادةً في مواقع بينية حقيقية بين ذرات الشبكة البلورية. كما يمكن أن تتواجد ذرات الشوائب الكبيرة في تكوينات بينية منقسمة مع ذرة من ذرات الشبكة البلورية، على غرار ذرة الشوائب الذاتية.

تعمل العناصر البينية على تعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد.

• تلعب ذرات الكربون البينية دورًا حاسمًا في خصائص ومعالجة الفولاذ، وخاصة الفولاذ الكربوني .
• يمكن استخدام الشوائب البينية، على سبيل المثال، لتخزين الهيدروجين في المعادن.
• يمكن أن تتمدد الشبكة البلورية مع زيادة تركيز الشوائب البينية
• غالباً ما يُفسر تحول أشباه الموصلات مثل السيليكون إلى الحالة غير المتبلورة أثناء التشعيع الأيوني بتراكم تركيز عالٍ من الذرات البينية مما يؤدي في النهاية إلى انهيار الشبكة البلورية نتيجة عدم استقرارها. ^{[ 7 ] [ 8 ]}
• قد يؤدي تكوين كميات كبيرة من الذرات البينية في مادة صلبة إلى تراكم طاقة هائل، والذي قد يتسبب عند إطلاقه في حوادث خطيرة في بعض أنواع المفاعلات النووية القديمة ( تأثير ويغنر ). ويمكن إطلاق هذه المستويات العالية من الطاقة عن طريق التلدين .
• على الأقل في الشبكة المكعبة ذات المراكز الوجهية، يكون للذرات البينية تأثير كبير في تليين المادة باستخدام تقنية ديالاستيك. ^{[ 9 ]}
• وقد اقترح أن الفراغات البينية مرتبطة ببداية الانصهار والانتقال الزجاجي . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}