結晶、CIFファイル　＋　VESTAについて

　前回、産総研ＨＰ　…　結晶構造ギャラリー
に触れたので、補足も兼ねて、
　結晶
　および
　描画ソフト　VESTAについて。

結晶、化学結合

　１つの原子
　原子と原子が結合した分子
　低分子　－　中分子　－　高分子

　目に見えない極小の原子・分子もたくさん集まって結合すると目に見える物質になる。
　規則的に原子・分子が並んでいる固体が結晶　Crystal。
　水晶もCrystal（クリスタル）。結晶の研究は雪や水晶からスタート。

　ガラスやゴムは結晶ではなく無定形。固体と認識されているが、液体的でもある。
　無定形　＝　アモルファス（非晶質）　Amorphous：原子・分子が不規則に並んでいる。

　液体は不規則、乱雑。
　液晶　Liquid Crystalは結晶と液体の間。不規則だが、部分的に規則的。

　固体は液体よりも安定。
　結晶はアモルファスよりも強固。
　アモルファスのほうが加工（変形）しやすい。
　結晶［系］シリコン太陽電池に単結晶と多結晶があるが、多結晶はpolycrystal（ポリクリスタル）で、細かい単結晶の粒の集まり。部分的に規則的。

　規則的に原子・分子が並んでいる［単］結晶の基本単位が単位格子。
　ひたすら単位格子の繰り返し。

　・　鉄　Fe、アルミニウム　Alなどの金属結晶
　・　塩化ナトリウム　NaClなどのイオン結晶

の単位格子の図は見たことあると思う。

　金属結晶は金属結合
　イオン結晶はイオン結合
　ダイヤモンドや結晶シリコンなど共有結合の結晶もある。

　だいたい３つ４つの化学結合（原子と原子の結合）に分類されているが、イオン結合は共有結合のうち特殊な（＋イオンと－イオンの）結合。

　金属結晶は電子が全体に流れる。広範に動ける自由電子。導体。
　共有結合結晶は電子が全体に流れない。通常は絶縁体。だが、一定の条件下で電子が全体に流れる結晶もある。すなわち半導体。

CIFファイル　＋　VESTA

　ひとまず代表的な結晶の構造図を描画してみる。
　単位格子（立方体）と原子（球）の描画。３次元コンピューター・グラフィックス　3DCG。
　当ブログでは踏み入っていない領域。

　幸い、VESTAという描画ソフトウェア（フリー）を使うことができる。
　VESTA　Visualization for Electronic and STructural Analysis
　JP-MineralsのＨＰ（jp-minerals.org/jp/）から
　ソフトウェア　－　VESTA　－　Download。

　結晶構造のデータファイルがCIFファイル　Crystallographic Information File。
　産総研ＨＰ　…　結晶構造ギャラリー（unit.aist.go.jp/ifm-ri/ja/groups/db-nomura/crystal_gallery.html）から
　例えば
　鉄　Fe.cif、アルミニウム　Al.cif
をダウンロード。
　CIFファイルは、
　JP-MineralsのＨＰのリンクにあるCrystallography Open DBなどからもダウンロードできる。

　VESTAを起動して
　File　－　Openで
　Fe.cif選択。
　カーソルで３次元自在にぐるんぐるん回転。

　上図右下の多面体クリックで、Standard orientation of crystal shape。

　▼　Objects　－　Structural Models　－　Space-Filling

　単位格子の頂点（格子点）にFe原子８、中心に１。
　体心立方格子　bcc　body centered cubic。
　単位格子内の原子数：２　・・・　（1／8）× 8 ＋ 1

　File　－　Export Raster Imageで画像保存。

　今度はAl.cif。

　単位格子の頂点（格子点）にAl原子８、各面中心に６。
　面心立方格子　fcc　face centered cubic。
　単位格子内の原子数：４　・・・　（1／8）× 8 ＋ （1／2）× 6

　▼　Space-Filling　充満みちみち

　面心立方格子のほうが体心立方格子よりも密っぽいが……

　単位格子の充填率（＝格子内の原子の体積／格子の体積）は、
　面心立方格子が74％。
　体心立方格子が68％。
　・・・　格子（立方体）の辺をl、原子（球）の半径をrとする
　　　　　格子の面の対角線が√2 l
　　　　　頂点と反対側の頂点の間が√3 l
　　　　　面心立方格子
　　　　　　√2 l ＝ 4r
　　　　　　｛（4πr³／3）x 4｝／l³
　　　　　体心立方格子
　　　　　　√3 l ＝ 4r
　　　　　　｛（4πr³／3）x 2｝／l³

　金　Au、銀　Ag、銅　Cuは面心立方格子。

　なお、体心立方格子の鉄　Feは、
　900℃超の高温になると面心立方格子になる。
　さらに高温になると（1400℃くらい）体心立方格子になる。
　α（アルファ）鉄　→　γ（ガンマ）鉄　→　δ（デルタ）鉄。
　変態と呼びます。

　イオン結晶などは、また別の機会に。