Metallerin kristal yapısı

Metalik bağın herhangi bir yöne doğru kurulabiliyor olmasının sağladığı bir kolaylıktan bahsederek başlayalım. Metalik bağın bir yön kısıtlamasının olmaması sayesinde, atomları üç boyutlu düzen içerisinde birer küre olarak tarif edebiliyoruz. Bu tasvir atomların yapısını her ne kadar çok basite indirgiyor olsa da, kristal yapıları kolay bir şekilde tarif edebilmemiz açısından büyük kolaylık sağlıyor. Bu ve ilereyen konularda biz de bu basitleştirmeden faydalanarak, atomları birer küre olarak resmedeceğiz.

Metaller toplam yedi farklı kristal yapı düzeninde karşımıza çıkıyorlar. Bu yapıların herbiri, üç boyutlu atom düzeninin indirgenebildiği en küçük simetriyi tarif ediyor. Bu indirgenmiş yapılara malzeme biliminde birim hücre (İngilizce: unit cell) adını veriyoruz.

Bu kristal sistemlerden bazıları kendi içlerinde de ufak varyasyonlar gösterebiliyor. Bu varyasyonlara, bu yapıları ilk tarif eden Fransız fizikçi Auguste Bravais’e ithafen Bravais kafes yapı adını veriyoruz. Aşağıdaki resimde yedi ana kristal sistemi ve ondört Bravais kafes yapıyı görebilirsiniz.

Resim: Wikipedia (derlenmiş ve değiştirilmiştir). Creative Commons (CC BY-SA 3.0)

Bu yapıların doğasına dair daha derinlemesine bir bakış açısı sağlayabilmek adına, en sık karşımıza çıkan üç yapıya biraz daha yakından bakalım.

Hacim merkezli kübik yapı (HMK) (İngilizce: body centered cubic – BCC), köşelerindeki sekiz atomun yanında merkezinde de bir atom barındırıyor. Her ne kadar birim hücre toplam dokuz atomun biraraya gelmesiyle oluşuyor olsa da, kübün içinde kalan hacime dikkat ettiğimizde, atomların yapı içerisinde toplam iki atom hacimine  eşit bir hacim kapladıklarını görüyoruz (köşelerdeki her bir atomun sekizde biri küp içerisinde, bir de ortadaki atom: toplam iki atom).

Yüzey merkezli kübik yapı (YMK) (İngilizce: face centered cubic – FCC) ise, köşelerde bulunan sekiz atomun yanında kübün altı yüzeyinde de birer atom barındırıyor. Küp içerisinde kalan hacime tekrar dikkat ettiğimizde, bu sefer atomların küp içerisinde dört atomluk bir hacim kapladıklarını görüyoruz (köşedeki her bir atomun sekizde biri küp içinde, altı yüzeydeki herbir atomun da yarısı, yani üç atom: toplamda dört atom).

Kristal yapılara dair dikkat etmemiz gereken bir diğer önemli nokta da, atomların birim hücrenin tamamını doldurmuyor olmaları. Atomların bir birim hücreyi ne oranda doldurabildiklerine, o yapının paketleme faktörü (İngilzce: packing factor) adını veriyoruz. Örneğin HMK yapıda atomlar birim hücrenin %68’ini, YMK yapıda ise %74’ünü doldurabiliyor; dolayısıyla bu yapıların paketleme faktörlerini de HMK için 0.68, YMK için ise 0.74 olarak hesaplıyoruz.

Son olarak bir de hegzagonal sıkı paket (HSP) (İngilizce: hexagonal close-packed – HCP)  yapıdan bahsedelim. Yapının adından da anlaşılacağı gibi HSP yapıda atomlar kübik değil, altıgen prizma simetrisinde düzenleniyorlar.

Bu yapıya sıkı paket denmesinin nedeni, YMK yapı gibi paketleme faktörünün 0.74 olması. Bu rakam eşit büyüklüğe sahip kürelerin üç boyutlu düzende paketlenebilecekleri en yüksek yoğunluğu ifade ediyor. Bu nedenle, yani paketleme faktörünün 0.74 olmasına ithafen, bu yapıya sıkı paket (İngilizce: close-packed) adını veriyoruz. Benzer şekilde, bazı kaynaklarda YMK yapıdan da sıkı paket kübik yapı adıyla bahsedildiğini görebilirsiniz.


Devamı: