מבנה גבישי

מבנה גבישי הוא הסידור התלת־ממדי של האטומים בחומר. תא היחידה הוא ה'בלוק' החוזר של אטומים שמרכיב את הסריג. הפרמטרים של הסריג הם המרחקים בין תאי היחידה בכיוונים שונים. חבורת ההזזות היא קבוצת הסימטריות של ההזזה, המתארת איך התא חוזר על עצמו במרחב.

תא היחידה מתואר על ידי אורך הצלעות, הזוויות ביניהן ומיקום האטומים ביחס לנקודה קבועה בסריג. יש תא יחידה סטנדרטי, שמייצג את כל סימטריות הגביש. תא יחידה פרימיטיבי הוא הקטן ביותר שממלא את המרחב בריצוף, והוא מכיל נקודת סריג אחת. תאי יחידה שונים יכולים להיות פחות או יותר סימטריים.

הסימטריה היא מה שמגדיר גביש. פעולות כמו סיבוב או שיקוף שמותירות את הסידור ללא שינוי הן סימטריות. חקר הסימטריות (חבורות הסימטריות) מסייע להבין את המבנה והתכונות של הגביש.

מערכת גבישית מקבצת מבנים לפי אופן הצבת הצירים לתיאור הסריג. יש שבע מערכות גבישיות עיקריות, למשל המערכת הקובייתית והטריגונלית. המערכת והסריג ביחד מעידות על סימטריות ההזזה של החומר.

כאשר משלבים את מערכת הצירים עם סוג המרכוז של נקודות הסריג, מקבלים סריג בראבה. במרחב התלת־ממדי יש 14 סריגי בראבה. כל גביש מחובר לאחד מהסריגים הללו. הבסיס, כלומר קבוצת האטומים סביב כל נקודת סריג, חוזרת לפי הסריג הזה.

חבורת הסימטריה של גביש כוללת את כל ההעתקות שמשאירות את הגביש זהה. היא מכילה תתי־חבורות: חבורת הפעולות השומרות נקודה קבועה (סיבובים ושיקופים) וחבורת ההזזות. במרחב התלת־ממדי קיימות 230 חבורות מרחב שונות.

בשנת 1984 גילה דן שכטמן גבישים בעלי "סימטריה אסורה". גבישים אלו נקראים גבישים כמו-מחזוריים (קוואזי-גבישים). הם לא חוזרים באופן מחזורי בשלושת הממדים, אבל עדיין מראים סדר מסודר. התגלית פתחה את הדרך למאות גבישים חדשים. שכטמן זכה בפרס נובל לכימיה ב־2011 על גילוי זה.

גבישים טבעיים כוללים פגמים. פגם נקודתי אחד הוא היעדרות (vacancy), אטום חסר במיקום. פגם נקודתי אחר הוא חדירון (interstitial), כאשר אטום נכנס לחלל קטן במבנה. פגמים אלה משנים תכונות חשמליות ומכניות ומופעים כמו שברי הסטה שפועלים בעוצמות נמוכות יותר.

המבנה והסימטריה משפיעים על שבירה, אנרגיות אלקטרונים ותכונות אופטיות. מתוך 32 מחלקות סימטריה של גבישים, 20 הן פיאזואלקטריות, מחלקות אלה מייצרות חשמל בלחיצה (פיאזואלקטריות). רק 10 מתוך 32 הן פולריות; גבישים פולריים מפתחים פולריזציה עצמית. מבנים מסוימים, כמו פרווסקיטים (סוג של מבנה גבישי), מראים התנהגות פרואלקטרית, פולריזציה שניתן להכתיב ולהפוך בעזרת שדה חשמלי חזק.

מבנה גבישי הוא איך האטומים מסודרים בחומר. הם חוזרים על עצמם בתבנית בתלת־ממד. תא היחידה הוא החלק הכי קטן שחוזר על עצמו. הוא דומה לאריח שחוזר בחדר.

בתא היחידה יש צלעות וזוויות. מיקום האטומים בתא מראה את המבנה הפנימי.

סימטריה פירושה פעולות שמשאירות את הסידור אותו הדבר, כמו סיבוב. סימטריה עוזרת להבין את הגביש.

יש שבע מערכות גבישיות. המערכת אומרת איך הצירים מסודרים כדי לתאר את הסריג.

סריג בראבה הוא סוג של ריצוף נקודות במרחב. יש 14 סוגים בתלת־ממד. סביב כל נקודה יש בקבוצה של אטומים שנקראת בסיס.

חבורת הסימטריה כוללת את כל הפעולות שמשמרות את הגביש. יש הרבה חבורות שונות במרחב.

דן שכטמן גילה גבישים מיוחדים ב־1984. הם לא חוזרים בדיוק כמו גבישים רגילים. קוראים להם גבישים כמו-מחזוריים. על התגלית הוא קיבל פרס נובל ב־2011.

גבישים לא תמיד מושלמים. פגם נקודתי הוא חוסר של אטום (היעדרות). יש גם מקרים שאטום נכנס למקום קטן (חדירון). אלה משפיעים על התכונות של החומר.

סימטריה ומבנה משפיעים על תכונות כמו שבירה ואנרגיית אלקטרונים. חלק מהגבישים מייצרים חשמל כשלוחצים עליהם. קוראים לזה פיאזואלקטריות.