Sieć Bravais

W krystalografii , wykorzystując sieć Bravais jest regularne punkty dystrybucyjne - zwane węzły - w przestrzeni, która reprezentuje częstotliwość dystrybucyjnego atomie z kryształu . Węzły można sobie wyobrazić jako wierzchołki siatek , czyli części przestrzeni, w których można podzielić strukturę kryształu . Struktura jest następnie rekonstruowana poprzez proste przemieszczenie siatki. Dane sieci Bravais nie są wystarczające do scharakteryzowania kryształu: z jednej strony kryształ składa się z atomów, a nie z węzłów, a z drugiej strony siatka może zawierać kilka atomów, co oznacza, że ​​pewne symetrie sieci niekoniecznie są symetriami struktury krystalicznej: tak jest w przypadku kryształów południkowych . Gdy całkowita symetria sieci Bravais'a zostanie osiągnięta również w strukturze krystalicznej, mówimy o kryształach holoedronowych .

Formalnie krata Bravaisa w wymiarze n jest zdefiniowana jako zbiór wektorów { m 1 a 1 + m 2 a 2 + ... + m n a n }, gdzie m 1 , ..., m n należą do Z i gdzie wektory bazowe sieci a 1 , ..., a n są n wektorami niezależnymi liniowo. Te parametry siatki składają się z odcinków 1 , ..., n a kąty pomiędzy wektorami bazowymi kraty.

Okresowość generuje grupę symetrii składającą się z operacji translacji i rotacji, pozostawiając niezmiennik sieci Bravais. Jeśli liczba sieci jest nieskończona, ponieważ każda wartość parametrów odpowiada innej sieci, liczba „typów” sieci (zwanych „trybami” sieci) jest skończona, a typ sieci jest definiowany przez jej grupę symetrii . Istnieje zatem 5 rodzajów sieci Bravais w przestrzeni dwuwymiarowej i 14 typów w przestrzeni trójwymiarowej.

Gdy w krysztale występuje niezmienność przez obrót, mówimy, że istnieje oś symetrii rzędu 2, 3, 4 lub 6, w zależności od tego, czy dany obrót odpowiada odpowiednio kątowi ± 180 °, ± 120 ° , ± 90 ° lub ± 60 °. Badanie sieci Bravais z wykorzystaniem teorii grup wykazało, że w przestrzeniach dwuwymiarowych i trójwymiarowych nie ma kryształu o osi symetrii rzędu 5. Nie jest to już prawdą, jeśli rozkład atomowy nie jest okresowy, jak ma to miejsce w przypadku w quasi-krysztale  : obserwowany rozkład atomowy można następnie zinterpretować matematycznie jako rzut na trójwymiarową przestrzeń irracjonalnego odcinka struktury okresowej wyższego wymiaru (4, 5 lub 6).

Sieć będąca nieskończoną, jest opisana przez siatkę , która reprezentuje jednostkę przez nieskończone powtarzanie, z której otrzymuje się sieć. Wybór siatki nie jest wyjątkowy, każda sieć może być w zasadzie opisana przez nieskończoność różnych siatek; w ten sposób parametry sieci wyrażenia faktycznie wskazują parametry siatki . Najczęściej używane są dwa rodzaje siatek: siatka pierwotna (lub elementarna) i siatka konwencjonalna  : w każdej rodzinie krystalicznej istnieje sieć, której siatka konwencjonalna jest pierwotna. Do tej samej rodziny kryształów należą kryształy, których konwencjonalne siatki są przekształcane w siebie poprzez dodawanie lub usuwanie węzłów w środku ścian lub wewnątrz objętości siatki .

Matematyka

Krata Bravais odpowiada pytaniu matematycznemu. Wiąże się to z badaniem quasi- przestrzeni wektorowej , przy czym różnica między przestrzenią wektorową a siecią polega na tym, że w tej drugiej skalaryliczbami całkowitymi i nie są już liczbami odwracalnymi (z wyjątkiem 0) jak te rzeczywiste lub zespoly . Aby skorzystać z łatwej do uchwycenia geometrii , sieć zanurza się w euklidesowej przestrzeni wektorowej o minimalnym wymiarze . Przestrzeń ta, z definicji sieci, ma skończony wymiar. Wreszcie sieć może być również postrzegana jako przestrzeń afiniczna .

Jedną z pierwszych właściwości jest fakt, że podobnie jak struktura przestrzeni wektorowej, istnieje baza, a jeśli taka baza nie jest jednoznaczna, to jej objętość jest. Podstawową domeną bazy jest utworzona przez zbiór wektorów, których współrzędne w bazie są w przedziale [0,1 [, co krystalografem wywołuje prymitywne komórki . Rysunek po prawej ilustruje dwa podstawowe obszary, w kolorze zielonym i czerwonym, z konieczności o tej samej objętości.

Kilka grup pojawia się naturalnie w badaniu sieci Bravais. Po pierwsze, tak jak w przestrzeni wektorowej, sieć tworzy grupę do dodawania wektorów. Ta grupa jest izomorficzna z grupą przekładów pozostawiających niezmiennik sieci. Następnie ważnym pytaniem jest kwestia grupy ortogonalnej , czasami nazywanej grupą symetrii punktowej . Składa się z aplikacji liniowych, które zachowują odległości i kąty, takie jak obrót lub odbicie w lustrze. Te przekształcenia tworzą izometrie wektorowe sieci. W sieci grupa ortogonalna jest zawsze skończona i ma strukturę grupową . To znaczy, że istnieje element neutralny, taki, który nie porusza żadnego punktu sieci, że wzajemne zastosowanie izometrii jest nadal izometrią i że prawo składu odwzorowań liniowych jest asocjacyjne . Wreszcie, łącząc dwie poprzednie grupy, możemy utworzyć inną grupę: grupę kosmiczną sieci.

W przeciwieństwie do przestrzeni wektorowych, ortogonalne grupy dwóch sieci o tym samym wymiarze niekoniecznie są izomorficzne . Wyjaśnienie struktury grup ortogonalnych sieci dwuwymiarowej jest stosunkowo łatwe. Istnieją tylko 4 możliwe skończone grupy i wszystkie są małymi kardynałami  : 2, 4, 8 lub 12. Nie jest potrzebne żadne skomplikowane narzędzie, wystarczy użyć kilku matryc 2x2 , aby osiągnąć swoje cele. W wymiarze 3 pytanie staje się nieco ostrzejsze. Największa grupa zawiera 48 elementów. Aby wyjaśnić strukturę grupy, łatwiej jest odwołać się do teorii reprezentacji skończonej grupy . Nieco abstrakcyjne narzędzie, postać pozwala szybko rozwiązać pozornie delikatne pytania.

Szczegółowy artykuł Sieć (geometria) wykorzystuje algebrę liniową do budowy ortogonalnych grup sieci wymiaru 2 oraz reprezentacji grupy dla wymiaru 3.

Przestrzeń jednowymiarowa

W przestrzeni jednowymiarowej może występować tylko jeden typ sieci, który składa się z okresowych węzłów powtarzających się wzdłuż istniejącego pojedynczego kierunku, jak wskazana oś ma . Odległość między dwoma węzłami jest parametrem a .

Przestrzeń dwuwymiarowa

W przestrzeni dwuwymiarowej konwencjonalna siatka może być prymitywna ( p ) lub wyśrodkowana ( c ). Osie są oznaczone literami a i b , kąt międzyosiowy nazywa się γ. W tej przestrzeni istnieje pięć typów sieci, które są oznaczone literą odpowiadającą rodzinie kryształów, po której następuje mod sieci (małe litery).

Rodzina kryształów jednoskośnych

W rodzinie kryształów jednoskośnych nie ma ograniczeń co do parametrów. W tej rodzinie istnieje tylko jeden typ sieci: mp (prymitywna jednoskośna).

Rodzina rombowych kryształów

W rombowej rodzinie kryształów γ = 90 °. W tej rodzinie istnieją dwa typy sieci: op (pierwotna rombowa) i oc (wyśrodkowana rombowa). Na rysunku, który pokazuje konwencjonalną siatkę sieci oc (czerwony), widoczne są również cztery prymitywne siatki (czarny).

Rodzina kryształów tetragonalnych (kwadratowych)

W tetragonalnej rodzinie kryształów a = b i γ = 90 °. W tej rodzinie istnieje tylko jeden typ sieci: tp (prymitywny czworokąt).

Sześciokątna rodzina kryształów

W sześciokątnej rodzinie kryształów a = b i γ = 120 °. W tej rodzinie istnieje tylko jeden typ sieci: hp (prymitywny sześciokąt).

Przestrzeń trójwymiarowa

Sieci przestrzeni trójwymiarowej można uzyskać z sieci przestrzeni dwuwymiarowej przez dodanie trzeciego kierunku niewspółpłaszczyznowego. Osie są oznaczone jako a , b i c , kąty jako α (między b i c ), β (między a i c ) i γ (między a i b ). Możliwych jest siedem trybów sieciowych, oznaczonych wielką literą:

Litera S ( tylko para S wyśrodkowanych ścian) jest również używana do wspólnego wskazania siatek wyśrodkowanych na jednej ścianie, które mogą być przekształcane ze sobą po zmianie osi.

W tej przestrzeni istnieje czternaście typów sieci, które są oznaczone literą odpowiadającą rodzinie kryształów, po której następuje mod sieci (wielkimi literami).

Rodzina kryształów trójklinowych

W rodzinie kryształów trójskośnych nie ma ograniczeń dotyczących parametrów. W tej rodzinie istnieje tylko jeden typ sieci: aP (prymitywna anortyka). Litera t zarezerwowana dla czworokątnej rodziny kryształów, używamy a (anortic, synonim trikliniczny).

Rodzina kryształów jednoskośnych

W rodzinie kryształów jednoskośnych dwa z trzech kątów (zwykle wybieranych jako α i γ) są prawidłowe. W tej rodzinie istnieją dwa typy sieci: mP i mC . Siatkę mC można przekształcić w mI z innym wyborem osi.

Rodzina rombowych kryształów

W rodzinie kryształów rombowych te trzy kąty są proste. Istnieją cztery typy sieci w tej rodzinie: oP , OS , ol i oF . Ponieważ symetria konwencjonalnej siatki nie nakłada żadnego priorytetu na osie, trzy sieci oA , oB i oC są równoważne po zmianie osi i są zbiorczo oznaczone jako oS .

Rodzina kryształów tetragonalnych (kwadratowych)

W tetragonalnej rodzinie kryształów a = b , α = β = γ = 90 °. W tej rodzinie istnieją dwa typy sieci: tP (odpowiednik tC ) i tI (odpowiednik tF ).

Sześciokątna rodzina kryształów

W sześciokątnej rodzinie kryształów a = b , α = β = 90 °, γ = 120 °. W tej rodzinie istnieją dwa tryby sieciowe: hP i hR .

Rodzina kryształów sześciennych

W sześciennej rodzinie kryształów a = b = c , α = β = γ = 90 °. W tej rodzinie istnieją trzy tryby sieciowe: cps , cI i cF .

Wyśrodkowany na sieci czy na siatce?

Sieć, będąca regularnym rozmieszczeniem węzłów w przestrzeni, nie jest ani prymitywna, ani wyśrodkowana. Wyrażenie „sieć pierwotna / sieć wyśrodkowana” jest rzeczywiście nadużyciem języka dla „sieci, której konwencjonalna siatka jest prymitywna / wyśrodkowana”.

Notatka historyczna

Sieci przestrzeni trójwymiarowej zostały określone przez Moritza Ludwiga Frankenheima  (en) w 1842 roku, który nie uznał równoważności sieci mC i mI . Auguste Bravais w 1848 roku poprawił błąd, poprawiając poprawną liczbę na 14.

Uwagi

  1. Przymiotnik kwadratowego pochodzenia łacińskiego jest używany częściej w języku francuskim niż przymiotnik greckiego pochodzenia tetragonalnego . Jednak ten ostatni jest standardowym przymiotnikiem używanym w Międzynarodowych Tablicach Krystalografii . Co więcej, symbole sieci Bravais w tej rodzinie wykorzystują pierwszą literę t przymiotnika czworokątnego.
  2. (w) Sydney FA Kettle i Lars J. Norrby , „  Naprawdę, twoje kraty są prymitywne, panie Bravais!  ” , Journal of Chemical Education , tom.  70 N O  12, 1993, s.  959-963. ( DOI  10.1021 / ed070p959 )

Powiązane artykuły