Nukleáris morfológia

Ismert, hogy a szilícium rendkívül sok vegyületben vesz részt, és a Földön található kőzetek és ásványok nagy részének alkotó eleme. Az is ismert, hogy a szénhez hasonlóan képes gyűrűs vegyületeket is alkotni. Az AFM és STM mikroszkópok alkalmazásával a szilíciumlapkák felülete már leképezhetővé vált, így lehetőség nyílt arra is, hogy a szilícium helyes formai modelljét a lehetségesek közül kiválasszuk. Ezt a folyamatot mutatjuk be a következő képeken. Látni fogjuk, hogy a helyes modell megtalálása folyamatában milyen csodálatos formavilág nyílik meg, amely a természetben is ugyanilyen sok, ha nem több variációban fordul elő a szilícium vegyületeiben. 

A szilícium egy formai modelljének gyűrűjét már bemutattuk egy korábbi bejegyzésben, ami így nézett ki.

Ez a széngyűrűre hasonlító gyűrűmodell a következő formájú szilícium (Si28) modellen alapult.

Ez a modell két szénatom foma és egy alfa részecske forma egyesítésével jött létre az alábbi módon.

Azonban két szénatom modell és egy alfa részecske modell más módokon is egyesíthető úgy, hogy a Si28 izotóp másik lehetséges változatát állítsuk elő belőlük. Ezt a formát már szintén láthattuk a formaváltásokat ábrázoló egyik  képen.

A képen a nyíl jelöli a szilícium 28-as izotópjának másik lehetséges formai modelljét. A következőkben ennek a formának a felhasználásával próbáljuk meg a szilícium különböző gyűrűit létrehozni.

Előbb azonban nézzük meg, hogy hogyan néz ki egy tiszta szilícium lapka felszíne az elektronmikroszkóppal készült felvételeken.

Összehasonlításul nézzünk meg egy szintén gyűrűs felületet, a grafit felszínét.

Láthatjuk, hogy míg a grafit felszínén a gyűrűk egyenletesen kapcsolódnak egymáshoz, a szilícium felszínen a hatos gyűrűket még egy tizenkét szilícium atomból álló második gyűrű is körülveszi, és ezeknek a gyűrűknek vannak közös atomjaik. Tehát a szilícium hatos gyűrűi nem közvetlenül kapcsolódnak egymáshoz, hanem ezeken a nagyobb gyűrűkön keresztül. Ennek feltételezhetően morfológiai oka van, amely nagy valószínűséggel kizárja, hogy a fentebb bemutatott szilícium gyűrű lenne a helyes modell. az ugyanis képes lenne közvetlenül kapcsolódni más gyűrűkhöz, ugyanúgy, mint a grafit gyűrűi.

Nézzük meg most azt, hogy a csonka sárkányidom forma Si 28 modellekből milyen gyűrűk alkothatók, és azok képesek-e kapcsolódni egy nagyobb gyűrűn keresztül egymáshoz. A következő két képen a lehetséges gyűrűformákat láthatjuk.

A négy lehetséges modellből a második kép jobb alsó sarkában látható modellt eleve kizárhatjuk (csak a tiszta szilícium felület kialakításából!), mert nincs a közepén lyuk, amely az AFM és STM képeken jól látszik, hogy van. A maradék három modellből kell tehát a helyes modellt kiválasztanunk, ami ha sikerül, egyben eldönti azt is, hogy a szilícium atomnak ez a forma-e a helyes morfológiai modellje.

 Nézzük először a csillagforma gyűrűt, és az azt körülvevő nagyobb gyűrű lehetséges változatait.

Mind a két modellnél láthatjuk, hogy a nagyobb gyűrű páros atomjai éppen úgy szemben állnak a csillag két ágát alkotó atomokkal, mint az AFM képen, azonban a külső gyűrűhöz nem tud egy másik csillag külső gyűrűje úgy kapcsolódni, ahogyan az AFM képen látható.

Nézzük meg most a koszorú formát és külső gyűrűjét előbb robbantott, majd összetolt változatban.

Most pedig nézzük meg a koszorú külső gyűrűjének egy másik változatát.

 A belső gyűrű (koszorú) ugyanaz, de a gyűrűt alkotó Si atomok párosával csatlakoznak hozzá. Ebben az esetben a belső és a külső gyűrű között olyan hézagok keletkeznek, amelyetk az AFM képen nem láthatók.

És itt van ugyanez egy másik belső gyűrűs változatban. Először robbantott képen, majd összetolva. Látható, hogy a lyukak máshova kerültek. A lyukak pontosan egy alfa részecske méretűek.

Kizárhatósága ellenére, a teljesség kedvéért bemutatjuk a központi lyuk nélküli gyűrű külső gyűrűvel kiegészített modelljét is.

Ennél az elrendezésnél is feltűnnek az AFM képeken nem látható hézagok a belső és a külső gyűrű között.

Most pedig lássuk a harmadik típusú koszorút és az azt övező külső gyűrűt robbantott, és összetolt változatban.

Amennyiben a külső gyűrűt valóban dupla Si 28 részecskék alkotják, akkor a külső gyűrűk így kapcsolódnak egymáshoz.

A teljesség kedvéért most próbáluk meg ezzel a formával előállítani a szilíciumnak egy más atommal alkotott kristályos szerkezetét, a szilícium karbidot. A Si-C arány a kémia szerint 1:1. A morfológiai modell megmutatja, hogy az arány matematikailag leegyszerűsíthető, de a valóságban egy szénatom egy szilícium atommal nem alkot olyan kötést, amely valódi szerkezetet alkothat. A következő modell 6:6 arányt mutat előbb robbantott, majd összetolt változatban.

A képről látható, hogy a Si és a C atomok a gyűrűn belül úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy együtt a Ca 40-es izotópjának formáját adják ki. A gyűrű akár Ca40 gyűrű is lehetne, amennyiben létezik annak ilyen kapcsolódása.

A következő képeken a szilícium karbid más lehetséges változatait mutatjuk be.

A Ca40 formájához hasonlóan két Si atom összetolható egy Vas56-os izotóp magjává. Érdekes módon a szilícium megtartott és már elvetett „hosszú” formája is összetolva ugyanazt a formát adja ki a Vas 56-os izotópra. Nézzük:

Ha most ezt összetoljuk, és ezzel a formával kíséreljük meg a 3:1 kémiai arányú vaskarbid modelljét elkészíteni, akkor a következő, 6:2 arányú modell kapjuk.

Középen 2 szén látható egymásnak háttal lapjával összetolva, amely formáció megfelel a Magnézium 24-es izotópja morfológiai modelljének. (Megj: a karbidok esetében a modellezési tapasztalatok szerint a szén nem a két aktív végével kapcsolódik, hanem „keresztben” állva. Ez erre a modellre is igaz.) Ugyanez a modell összetolva így néz ki.

Nézzük meg most a modell többi lehetséges változatát.

A fenti képeken a Vas 56-os izotópjának egy másik lehetséges formájával alkottuk meg a vaskarbid modelljét.

Ezzel egyelőre a végére értünk az eddig előállított modellek bemutatásának. A formagazdagság elképesztő. Most már csak ki kellene választani a sok közül, hogy melyik felel meg legjobban a valóságnak. Csak annyi van hátra, hogy a bemutatott modellek alapján meg kell állapítani: melyik modell külső gyűrűje képes az AFM képen látható kapcsolódásra más külső gyűrűkkel. Ebben az esetben ezt az olvasóra bízom.