ઓલિવિન ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર શું છે?

ઓલિવાઇન ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચરમાં ઓર્થોહોમ્બિક ગોઠવણીનો સમાવેશ થાય છે જ્યાં અલગ સિલિકોન-ઓક્સિજન ટેટ્રાહેડ્રા (SiO₄) ઓક્ટાહેડ્રલ સાઇટ્સ પર કબજો કરતા ધાતુના કેશન દ્વારા જોડાયેલા હોય છે. આ માળખું મેગ્નેશિયમ અથવા આયર્ન આયનોથી ભરેલા અડધા અષ્ટકોણ ખાલી જગ્યાઓ અને સિલિકોન દ્વારા કબજે કરાયેલ ટેટ્રેહેડ્રલ વોઇડ્સનો એક-આઠમો ભાગ ઓક્સિજન અણુઓના ષટ્કોણ બંધ-પેક્ડ એરે તરીકે વિઝ્યુઅલાઈઝ કરી શકાય છે.

ઓલિવિન જૂથ ઓર્થોરોમ્બિક ક્રિસ્ટલ સિસ્ટમમાં અવકાશ જૂથ Pbnm (વૈકલ્પિક સેટિંગ્સમાં Pnma તરીકે પણ નિયુક્ત) હેઠળ સ્ફટિકીકરણ કરે છે. આ મૂળભૂત સમપ્રમાણતા વ્યાખ્યાયિત કરે છે કે કેવી રીતે અણુઓ પોતાની જાતને ક્રિસ્ટલ જાળીની અંદર ગોઠવે છે અને ખનિજના ભૌતિક ગુણધર્મોને સીધો પ્રભાવિત કરે છે.

એકમ કોષમાં ચાર સૂત્ર એકમો (Z=4) હોય છે અને તે ત્રણ અસમાન અક્ષો દર્શાવે છે જે જમણા ખૂણા પર છેદે છે. ફોરસ્ટેરાઇટ (Mg₂SiO₄) માટે, લાક્ષણિક જાળીના પરિમાણો આશરે a=4.75 Å, b=10.20 Å, અને c=5.98 Å છે. ફેયાલાઇટ (Fe₂SiO₄) માં, મેગ્નેશિયમની તુલનામાં આયર્નના મોટા આયનીય ત્રિજ્યાને કારણે આ પરિમાણો સહેજ=4.82 Å, b=10.48 Å, અને c=6.09 Å સુધી વિસ્તરે છે.

Pbnm સ્પેસ ગ્રુપ હોદ્દો મહત્વપૂર્ણ માળખાકીય વિગતો દર્શાવે છે. આ અવકાશ જૂથમાં અરીસાના વિમાનો અને એક વ્યુત્ક્રમ કેન્દ્ર છે, જે અણુની સ્થિતિ પર ચોક્કસ સમપ્રમાણતાના અવરોધો બનાવે છે. ત્રણ ક્રિસ્ટલોગ્રાફિકલી અલગ ઓક્સિજન સ્થિતિઓ (O1, O2, O3) બંધારણમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે, જેમાં O1 અને O2 મિરર પ્લેન પર પડેલા છે જ્યારે O3 ખાસ સમપ્રમાણતા વિના સામાન્ય સ્થાન ધરાવે છે.

ઓલિવિનની રચનાના કેન્દ્રમાં અલગ SiO₄⁴⁻ ટેટ્રાહેડ્રોન આવેલું છે, જ્યાં કેન્દ્રીય સિલિકોન અણુ ચાર આસપાસના ઓક્સિજન અણુઓ સાથે સહસંયોજક રીતે બંધાયેલું છે. આ ટેટ્રાહેડ્રા સંપૂર્ણપણે સ્વતંત્ર છે-તેઓ પડોશી ટેટ્રાહેડ્રા સાથે ઓક્સિજન પરમાણુ વહેંચતા નથી, ઓલિવિનને નેસોસિલિકેટ અથવા ઓર્થોસિલિકેટ તરીકે વર્ગીકૃત કરે છે. દરેક Si-O બોન્ડ આશરે 1.63-1.66 Å માપે છે અને મજબૂત સહસંયોજક પાત્ર દર્શાવે છે.

ટેટ્રાહેડ્રા ઓરિએન્ટેશનમાં વૈકલ્પિક, ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક સી-અક્ષની સમાંતર પંક્તિઓ સાથે ઉપર અને નીચે નિર્દેશ કરે છે. આ વૈકલ્પિક વ્યવસ્થા માળખાની અંદર ચેનલો બનાવે છે જ્યાં મેટલ કેશન્સ રહી શકે છે. સિલિકોન આયન માત્ર એક ક્રિસ્ટલોગ્રાફિકલી અલગ જગ્યા ધરાવે છે જે મિરર પ્લેન પર બેસે છે, એટલે કે બંધારણમાંના તમામ સિલિકોન પરમાણુ સપ્રમાણતા કામગીરી દ્વારા સંબંધિત છે.

મેટલ કેશન્સ (સામાન્ય રીતે Mg²⁺ અથવા Fe²⁺) M1 અને M2 લેબલવાળી બે અલગ-અલગ અષ્ટકેન્દ્રીય સાઇટ્સ ધરાવે છે. M1 સાઇટ વ્યુત્ક્રમ કેન્દ્ર પર બેસે છે અને છ આસપાસના ઓક્સિજન અણુઓ સાથે વધુ વિકૃત ઓક્ટાહેડ્રોન બનાવે છે. M1 માં મેટલ-ઓક્સિજન બોન્ડની લંબાઈ લગભગ 2.07-2.13 Å થી મેગ્નેશિયમ માટે છે. M2 સાઇટ મિરર પ્લેન પર સ્થિત છે અને 2.04-2.21 Å ની MO અંતર સાથે મોટા, વધુ નિયમિત ઓક્ટાહેડ્રોન બનાવે છે.

M1 અને M2 સાઇટ્સ વચ્ચેના તફાવતમાં વિવિધ કેશન્સ પોતાને કેવી રીતે બંધારણમાં વિતરિત કરે છે તેના માટે નોંધપાત્ર અસરો ધરાવે છે. મેગ્નેશિયમ-આયર્ન સોલિડ સોલ્યુશન શ્રેણીમાં, Mg²⁺ અને Fe²⁺ થોડી સાઇટ પસંદગી દર્શાવે છે-બંને મજબૂત પસંદગી વિના M1 અને M2 સાઇટ્સ ધરાવે છે. જો કે, કેલ્શિયમ-મોન્ટિસેલાઇટ (CaMgSiO₄) જેવા ઓલિવિન્સ ધરાવતાં, મોટા Ca²⁺ આયનો પ્રાધાન્યપૂર્વક વધુ જગ્યા ધરાવતી M2 સાઇટ્સમાં પ્રવેશ કરે છે જ્યારે Mg²⁺ નાની M1 સ્થિતિની તરફેણ કરે છે.

olivine crystal structure

ઓલિવાઇન સ્ટ્રક્ચરનું વર્ણન કરવાની વૈકલ્પિક રીત ઓક્સિજન સબલેટીસ પર ભાર મૂકે છે. ઓક્સિજન આયનો લગભગ ષટ્કોણ બંધ-પેક્ડ (hcp) એરે બનાવે છે જે એક-અક્ષ સાથે સ્ટેક કરે છે. આ માળખું એ સ્કેફોલ્ડિંગ પૂરું પાડે છે કે જેના પર સિલિકોન અને મેટલ કેશન્સ પોતાને સ્થાન આપે છે.

આ hcp ઓક્સિજન વ્યવસ્થાની અંદર, ધાતુના કેશન્સ ઉપલબ્ધ અષ્ટકેન્દ્રીય શૂન્યાવકાશના અડધા ભાગને ભરે છે, જ્યારે સિલિકોન અણુઓ ટેટ્રાહેડ્રલ ખાલી જગ્યાના એક-આઠમા ભાગને રોકે છે. આ પસંદગીયુક્ત સાઇટ ઓક્યુપન્સી M₂SiO₄ ની લાક્ષણિક ઓલિવિન સ્ટોઇકિયોમેટ્રી બનાવે છે, જ્યાં M દ્વિભાષી ધાતુના કેશન્સનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.

પ્રત્યેક ઓક્સિજન અણુ એક સિલિકોન અને ત્રણ ધાતુના અણુઓ સાથે જોડાય છે, એક ગાઢ ત્રિ-પરિમાણીય માળખું બનાવે છે. ઓક્સિજન પરમાણુ સમકક્ષ હોતા નથી-ત્રણ અલગ ઓક્સિજન સ્થાનો (O1, O2, O3) નજીકના અણુઓથી થોડા અલગ બંધન વાતાવરણ અને અંતર ધરાવે છે. ઓક્સિજન સાઇટ્સમાં આ ભિન્નતા એકંદર માળખાકીય જટિલતામાં ફાળો આપે છે અને થર્મલ વિસ્તરણ અને સંકોચનક્ષમતા જેવા ગુણધર્મોને અસર કરે છે.

ધારના સ્તરો-શેરિંગ ઓક્ટાહેડ્રા (100) સમતલની સમાંતર વિસ્તરે છે, જે અલગ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા દ્વારા લિંક થયેલ ક્રોસ-છે. આ સ્તરવાળી લાક્ષણિકતા લાગુ તણાવ હેઠળ ખાસ કરીને મહત્વપૂર્ણ બની જાય છે, કારણ કે તે સંભવિત સ્લિપ પ્લેન બનાવે છે જે પૃથ્વીના આવરણમાં ઓલિવિનના યાંત્રિક અને સિસ્મિક ગુણધર્મોને પ્રભાવિત કરે છે.

ઓલિવિનની સ્ફટિક રચના મેગ્નેશિયમ એન્ડ{0}}મેમ્બર ફોરસ્ટેરાઇટ (Mg₂SiO₄) અને આયર્ન એન્ડ-સભ્ય ફાયાલાઇટ (Fe₂SiO₄) વચ્ચે સતત ઘન દ્રાવણને સમાવે છે. આ સંપૂર્ણ અયોગ્યતા અસ્તિત્વમાં છે કારણ કે Mg²⁺ (આયનીય ત્રિજ્યા ~0.72 Å) અને Fe²⁺ (આયનીય ત્રિજ્યા ~0.77 Å) કદમાં માત્ર 7% જેટલો તફાવત ધરાવે છે, જે તેમને સ્ફટિક બંધારણને નોંધપાત્ર રીતે વિકૃત કર્યા વિના મુક્તપણે બદલવાની મંજૂરી આપે છે.

રચનાઓને પરંપરાગત રીતે દાઢ ટકાવારી તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે, જેમ કે Fo₇₀Fa₃₀ (અથવા ફક્ત Fo₇₀), જે 70% ફોરસ્ટેરાઈટ અને 30% ફાયાલાઈટ દર્શાવે છે. મેફિક ખડકોમાંથી કુદરતી ઓલિવિન્સ સામાન્ય રીતે Fo₅₀ થી Fo₉₀ સુધીની હોય છે, જ્યારે મેન્ટલ ઓલિવિન્સ સામાન્ય રીતે વધુ મેગ્નેશિયન હોય છે, જેમાં Fo₈₈ થી Fo₉₂ આસપાસ રચનાઓ હોય છે.

આયર્ન સામગ્રી સાથે જાળીના પરિમાણો લગભગ રેખીય રીતે વધે છે. Fe²⁺ Mg²⁺ ના અવેજી તરીકે, એકમ કોષ વિસ્તરે છે કારણ કે આયર્નનું મોટું કદ અણુઓને સહેજ વધુ દૂર ધકેલે છે. આ સંબંધ એટલો અનુમાનિત છે કે એકમ કોષના પરિમાણોનો ઉપયોગ વાજબી ચોકસાઈ સાથે ઓલિવિન રચના નક્કી કરવા માટે થઈ શકે છે.

મુખ્ય Mg{{0}Fe અવેજી ઉપરાંત, ઓલિવિન માળખું અન્ય કેશનની નાની માત્રાને સમાવી શકે છે. કેલ્શિયમ M2 સાઇટને પ્રાધાન્ય આપતા, મર્યાદિત માત્રામાં બંધારણમાં પ્રવેશ કરે છે. મેંગેનીઝ (ટેફ્રોઈટમાં, Mn₂SiO₄) મેગ્નેશિયમ અથવા આયર્નને સંપૂર્ણપણે બદલી શકે છે. નિકલ, ક્રોમિયમ અને ફેરિક આયર્ન (Fe³⁺) ની માત્રા ઓછી માત્રામાં હોવા છતાં, ઓક્ટાહેડ્રલ સાઇટ્સમાં બદલી શકે છે.

ઓલિવિન માળખું ચોક્કસ દબાણ અને તાપમાનની સ્થિતિમાં જ સ્થિર રહે છે. જેમ જેમ પૃથ્વીની અંદર ઊંડાઈ વધે છે તેમ, ઓલિવિન ગોઠવણી ઉર્જાથી બિનતરફેણકારી બને છે અને વિવિધ સ્ફટિક રચનાઓ સાથે ગાઢ પોલીમોર્ફ્સમાં પરિવર્તિત થાય છે.

આશરે 410 કિમીની ઊંડાઈએ (14 GPa આસપાસના દબાણને અનુરૂપ), ઓલિવાઇન વેડ્સલીલાઇટમાં એક્ઝોથર્મિક તબક્કાના સંક્રમણમાંથી પસાર થાય છે. આ રૂપાંતરણમાં નોંધપાત્ર માળખાકીય પુન: ગોઠવણીનો સમાવેશ થાય છે જ્યાં ઓક્સિજન સબલેટીસ ષટ્કોણ નજીકથી વધુ ઘન ગોઠવણી તરફ પૅક કરીને-પાસે છે. વેડસ્લીઈટ ઓર્થોહોમ્બિક સમપ્રમાણતાને જાળવી રાખે છે પરંતુ અષ્ટાહેડ્રલ કોઓર્ડિનેશનમાં કેટલાક સિલિકોન અણુઓ સાથે સંશોધિત સ્પિનલ-જેવી રચના અપનાવે છે.

પૃથ્વીના આવરણમાં વધુ ઊંડે, આશરે 520 કિમીની ઊંડાઈ (18-20 GPa) પર, વેડ્સલીલાઇટ રિંગવુડાઇટમાં પરિવર્તિત થાય છે, જે ક્યુબિક સ્પિનલ માળખું અપનાવે છે. રિંગવુડાઇટમાં, તમામ સિલિકોન ટેટ્રેહેડ્રલ સ્થાનોને બદલે અષ્ટાહેડ્રલ સ્થાનો પર કબજો કરે છે. આ તબક્કાના સંક્રમણો અચાનક ઘનતામાં વધારો કરે છે જેને સિસ્મોલોજિસ્ટ્સ સિસ્મિક તરંગ વેગમાં વિરામ તરીકે શોધી કાઢે છે.

દબાણ કે જેના પર આ સંક્રમણો થાય છે તે તાપમાન અને રચના પર આધારિત છે. આયર્ન-સમૃદ્ધ ઓલિવિન મેગ્નેશિયમ-સમૃદ્ધ જાતો કરતાં ઓછા દબાણે પરિવર્તિત થાય છે. 800 ડિગ્રી પર, શુદ્ધ ફોરસ્ટેરાઇટ 11.8 GPa પર વેડસ્લેલાઇટમાં રૂપાંતરિત થાય છે, જ્યારે વેડ્સલીલાઇટ-થી-રિંગવુડાઇટ સંક્રમણ 14 GPaથી ઉપર થાય છે. આયર્ન એન્ડ-સભ્ય ફાયાલાઇટ વેડ્સલીટાઇટ સ્ટ્રક્ચરને સંપૂર્ણપણે છોડી દે છે અને નીચલા દબાણે સીધા એહેરેન્સાઇટ (આયર્ન-બેરિંગ રિંગવુડાઇટ એનાલોગ)માં પરિવર્તિત થાય છે.

olivine crystal structure

ઓલિવાઇન માળખું એનિસોટ્રોપિક રીતે લાગુ દબાણને પ્રતિસાદ આપે છે M2 ઓક્ટાહેડ્રોન M1 ઓક્ટાહેડ્રોન કરતાં ફોરસ્ટેરાઇટથી ફેયાલાઇટ સુધીની તમામ રચનાઓમાં વધુ સરળતાથી સંકુચિત થાય છે. આ વિભેદક સંકોચન એટલા માટે થાય છે કારણ કે M2 સાઇટનું પ્રારંભિક વોલ્યુમ મોટું છે અને તેના બંધન ગોઠવણીમાં વધુ સુગમતા છે.

8 GPa સુધીના સિંગલ-ક્રિસ્ટલ એક્સ-રે વિવર્તન અભ્યાસો દર્શાવે છે કે M2-O બોન્ડની લંબાઈ દબાણ હેઠળ M1-O બોન્ડ કરતાં વધુ ઝડપથી ટૂંકી થાય છે. M1 ઓક્ટાહેડ્રોન આયર્નની સામગ્રીમાં વધારો સાથે પ્રમાણમાં ઓછું સંકુચિત બની જાય છે, જે વિરોધાભાસી રીતે બલ્ક મોડ્યુલસ (સંકોચન માટે એકંદર પ્રતિકાર) ને ફોરસ્ટેરાઇટથી ફાયાલાઇટમાં થોડો વધારો કરવા માટેનું કારણ બને છે - આયર્ન મેગ્નેશિયમ કરતાં ભારે હોવાને કારણે શરૂઆતમાં વિરોધાભાસી પરિણામ.

તાપમાન રચનાને અલગ રીતે અસર કરે છે. ગરમીને કારણે એકમ કોષ વિસ્તરે છે, જેમાં b-અક્ષ સૌથી વધુ થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક દર્શાવે છે. ફોરસ્ટેરાઇટ પર 900 ડિગ્રી સુધીના ઉચ્ચ-તાપમાનના અભ્યાસો દર્શાવે છે કે M-O બોન્ડની લંબાઈ વ્યવસ્થિત રીતે વધે છે, પરંતુ ગલન તાપમાન નજીક ન આવે ત્યાં સુધી મૂળભૂત માળખાકીય ટોપોલોજી યથાવત રહે છે.

SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા મેટલ-ઓક્સિજન ઓક્ટાહેડ્રાની તુલનામાં નોંધપાત્ર રીતે સખત સાબિત થાય છે. Si-O બોન્ડની લંબાઈ દબાણ અથવા તાપમાન સાથે ન્યૂનતમ બદલાય છે કારણ કે Si-O બોન્ડના મજબૂત સહસંયોજક પાત્રને કારણે. મોટાભાગની માળખાકીય સુગમતા M-O બોન્ડની લંબાઈ અને પોલીહેડ્રાના સંકોચનને બદલે પોલીહેડ્રા વચ્ચેના ખૂણાઓમાં ગોઠવણોથી આવે છે.

ઓલિવિન માળખાકીય માળખું તેમાં મહત્વપૂર્ણ તકનીકી એપ્લિકેશન શોધે છેલિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ બેટરી(LiFePO₄ અથવા LFP). 1996 માં કેથોડ સામગ્રી તરીકે શોધાયેલ, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ ખનિજ ઓલિવિન જેવા જ મૂળભૂત ઓલિવિન બંધારણ પ્રકારને અપનાવે છે, જોકે ફોસ્ફેટ જૂથો અલગ સિલિકેટ ટેટ્રાહેડ્રાને બદલે છે.

LiFePO₄ માં, માળખું જાળીના પરિમાણો a=6.008 Å, b=10.334 Å, અને c=4.693 Å સાથે ઓર્થોરોમ્બિક સમપ્રમાણતા (સ્પેસ જૂથ Pnma/Pbnm) જાળવી રાખે છે. આયર્ન અણુઓ અષ્ટાહેડ્રલ સ્થાનો પર કબજો કરે છે (FeO₆ ઓક્ટાહેડ્રાની રચના કરે છે), જ્યારે ફોસ્ફરસ પરમાણુ ટેટ્રાહેડ્રલ સ્થળોમાં બેસે છે (PO₄ ટેટ્રાહેડ્રા બનાવે છે), જે ધાતુ અને સિલિકોન અણુઓ ખનિજ ઓલિવિનમાં કેવી રીતે ગોઠવાય છે તેના સમાન છે.

મુખ્ય તફાવત વધારાના લિથિયમ કેશનમાં રહેલો છે. લિથિયમ આયનો ઝિગઝેગ પેટર્નમાં ગોઠવાયેલા બંધારણની અંદર અષ્ટકેન્દ્રીય ચેનલોમાં રહે છે. બેટરી ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન, લિથિયમ આયનો મૂળભૂત ઓલિવિન ફ્રેમવર્કને તોડ્યા વિના આ ચેનલોમાંથી ઉલટાવી શકાય છે અને તેમાં દાખલ કરી શકાય છે. લિથિયમ અંદર અને બહાર જાય તેમ ચાર્જ સંતુલન જાળવવા માટે આયર્ન Fe²⁺ અને Fe³⁺ વચ્ચે રેડોક્સ સાયકલ ચલાવે છે.

આ માળખાકીય સ્થિરતા-મજબૂત ઓલિવાઇન આર્કિટેક્ચરમાંથી વારસામાં મળેલી-LiFePO₄ બેટરીને અસાધારણ સલામતી લાક્ષણિકતાઓ અને લાંબી ચક્ર જીવન આપે છે. ફોસ્ફેટ ટેટ્રાહેડ્રામાં મજબૂત P-ઓ સહસંયોજક બોન્ડ ઓક્સિજનના પ્રકાશનનો પ્રતિકાર કરે છે, જે થર્મલ રનઅવે પ્રતિક્રિયાઓને અટકાવે છે જે લિથિયમ-આયન બેટરી રસાયણશાસ્ત્રને અસર કરે છે. વાણિજ્યિક LFP બેટરી ક્ષમતા જાળવી રાખીને 3,000 થી વધુ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર પ્રાપ્ત કરી શકે છે.

ઓલિવિન માળખું એક મર્યાદા લાદે છે: લિથિયમ આયનો ત્રણ પરિમાણમાં મુક્તપણે ફરવાને બદલે ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક અક્ષો સાથે એક-પરિમાણીય ચેનલો દ્વારા ફેલાયેલા હોવા જોઈએ. આ આયનીય વાહકતા અને દર ક્ષમતાને પ્રતિબંધિત કરે છે. સંશોધકો આને નેનોસ્ટ્રક્ચરિંગ (પ્રસરણ પાથને ટૂંકા કરવા માટે કણોનું કદ ઘટાડીને) અને કાર્બન કોટિંગ (ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતામાં સુધારો) દ્વારા સંબોધિત કરે છે. લિથિયમ મેંગેનીઝ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LMFP) જેવી સંશોધિત આવૃત્તિઓ ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ વધારવા માટે કેટલાક આયર્ન માટે મેંગેનીઝને બદલે ઓલિવિન માળખું જાળવી રાખે છે.

ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચરની આધુનિક સમજ મુખ્યત્વે X-કિરણ વિવર્તન તકનીકોમાંથી આવે છે. વિલિયમ લોરેન્સ બ્રેગ અને જીબી બ્રાઉને 1926માં પ્રારંભિક X-ક્રિસ્ટલોગ્રાફી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને સૌપ્રથમ ફોરસ્ટેરાઈટની સ્ફટિક રચના નક્કી કરી હતી. તેમના કામે ઓલિવિનને અલગ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા-સિલિકેટ ખનિજ વિજ્ઞાન માટે પાયાની આંતરદૃષ્ટિની રચના તરીકે સ્થાપિત કરી.

ચોક્કસ માળખાકીય નિર્ધારણ માટે સિંગલ-ક્રિસ્ટલ એક્સ-કિરણનું વિવર્તન સુવર્ણ ધોરણ છે. એક નાનો ઓલિવાઇન સ્ફટિક (સામાન્ય રીતે 0.1-0.5 મીમી) ગોનોમીટર પર માઉન્ટ થયેલ છે અને એક્સ-રે બીમ દ્વારા ફેરવવામાં આવે છે. પરિણામી વિવર્તન પેટર્નમાં હજારો વ્યક્તિગત પ્રતિબિંબ હોય છે, જે પ્રત્યેક ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક પ્લેનનો એક અલગ સમૂહ રજૂ કરે છે. અત્યાધુનિક સૉફ્ટવેર અણુ સ્થાનો, થર્મલ પરિમાણો અને સાઇટ ઓક્યુપન્સીને અવલોકન કરેલ વિવર્તનની તીવ્રતા સાથે મેળ ખાય છે.

ન્યુટ્રોન વિવર્તન પૂરક માહિતી પ્રદાન કરે છે, ખાસ કરીને હાઇડ્રોજન અણુઓ (હાઇડ્રોસ તબક્કામાં) શોધવા અને મેગ્નેશિયમ અને એલ્યુમિનિયમ જેવા સમાન ઇલેક્ટ્રોન કાઉન્ટવાળા તત્વો વચ્ચે તફાવત કરવા માટે મૂલ્યવાન. ન્યુટ્રોન પ્રયોગો માટે ન્યુટ્રોન સ્ત્રોતો સાથે મોટા સ્ફટિકો અને વિશિષ્ટ સુવિધાઓની જરૂર પડે છે, પરંતુ તેઓ ચુંબકીય માળખાં અને કેટલાક પ્રકાશ તત્વની સ્થિતિ નક્કી કરવા માટે શ્રેષ્ઠ ચોકસાઇ આપે છે.

ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી (TEM) નેનોસ્કેલ પર ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચરની તપાસ કરે છે, ખામીઓ, ડોમેન સીમાઓ અને વિવર્તન પદ્ધતિઓ માટે અદ્રશ્ય સ્થાનિક વિવિધતાઓ દર્શાવે છે. ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન TEM વ્યક્તિગત પરમાણુ સ્તંભોની છબી કરી શકે છે, અણુઓની ગોઠવણીને સીધી રીતે વિઝ્યુઅલાઈઝ કરી શકે છે. વિકૃત નમૂનાઓ અથવા તબક્કાના સંક્રમણોનો અભ્યાસ કરતી વખતે આ ખાસ કરીને શક્તિશાળી બને છે જ્યાં માળખું નાના અંતરમાં બદલાય છે.

રામન અને ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી પ્રોબ ઓલિવાઇન સ્ટ્રક્ચર વાઇબ્રેશનલ મોડ્સ દ્વારા. SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રોનમાં ચાર મૂળભૂત વાઇબ્રેશન મોડ્સ છે, અને તેમની ફ્રીક્વન્સીઝ Si-O બોન્ડની મજબૂતાઈ અને આસપાસના માળખાકીય વાતાવરણ પર આધારિત છે. રચના આ વાઇબ્રેશનલ ફ્રીક્વન્સીઝને અનુમાનિત રીતે અસર કરે છે-ફોર્સ્ટેરાઇટ ફાયાલાઇટ કરતાં અલગ સ્પેક્ટ્રલ શિખરો દર્શાવે છે કારણ કે Fe-O બોન્ડ Mg-O બોન્ડ કરતાં નબળા છે. આ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક તકનીકો વિનાશક રીતે કામ કરે છે- અને નાના નમૂનાઓ અથવા સમાવેશને લાક્ષણિકતા આપી શકે છે.

ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક ગોઠવણી ઓલિવિનના અવલોકનક્ષમ ગુણધર્મોને સીધું નિયંત્રિત કરે છે. ખનિજ સામાન્ય રીતે ઓલિવ-લીલો દેખાય છે કારણ કે અષ્ટકેન્દ્રીય સંકલનમાં Fe²⁺ આયનો ચોક્કસ તરંગલંબાઇમાં પ્રકાશને શોષી લે છે, લીલા રંગને પ્રસારિત કરે છે. શુદ્ધ ફોરસ્ટેરાઇટ રંગહીનથી આછા પીળા-લીલા હોય છે, જ્યારે આયર્ન-સમૃદ્ધ રચનાઓ ઘાટા લીલાથી ભૂરા-કાળા રંગની હોય છે.

ઓલિવાઇન ક્લીવેજને બદલે કોન્કોઇડલ ફ્રેક્ચર દર્શાવે છે કારણ કે ઓક્ટાહેડ્રા સાથે બંધાયેલ આઇસોલેટેડ ટેટ્રાહેડ્રાનું ત્રિ-પરિમાણીય માળખું બધી દિશામાં સમાન રીતે મજબૂત બોન્ડ બનાવે છે. મિકાસ અથવા લેયર સિલિકેટમાં શીટ સ્ટ્રક્ચર્સની તુલનામાં બંધારણમાં નબળાઈના કોઈ પ્લેન અસ્તિત્વમાં નથી. જ્યારે ઓલિવાઇન તૂટે છે, ત્યારે તે ચોક્કસ સ્ફટિકીય વિમાનો સાથે વિભાજીત થવાને બદલે સમગ્ર માળખામાં અનિયમિત રીતે ફ્રેક્ચર થાય છે.

ઓર્થોરોમ્બિક સપ્રમાણતા એનિસોટ્રોપિક ગુણધર્મો બનાવે છે-ભૌતિક લાક્ષણિકતાઓ ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક દિશા સાથે બદલાય છે. સિસ્મિક તરંગ વેગ સ્ફટિક અક્ષોની તુલનામાં પ્રસારની દિશાને આધારે અલગ પડે છે. ઝડપી વેગની દિશા એ-અક્ષ, મધ્યમ વેગ c-અક્ષને અને ધીમી ગતિ b-અક્ષને અનુરૂપ છે. મેન્ટલ ઓલિવિનમાં આ સિસ્મિક એનિસોટ્રોપી જીઓફિઝિસ્ટ્સને મેન્ટલ ફ્લોની દિશા અને તીવ્રતાનું અર્થઘટન કરવામાં મદદ કરે છે.

કઠિનતા (મોહ સ્કેલ પર 6.5-7) અને ઘનતા (ફોર્સ્ટેરાઇટ માટે 3.27-3.37 g/cm³, ફાયાલાઇટ માટે 4.39 g/cm³) બંને માળખાના ચુસ્ત પેકિંગ અને મેટલ-ઓક્સિજન બોન્ડની મજબૂતાઈ સાથે સંબંધિત છે. ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચરમાં ગીચ ઓક્સિજન માળખું અને ટૂંકા ધાતુ-ઓક્સિજન અંતર પૃથ્વીની ઊંડા પરિસ્થિતિઓમાં રાસાયણિક હવામાન માટે પ્રતિરોધક સખત, ગાઢ ખનિજ બનાવે છે.

olivine crystal structure

વાસ્તવિક ઓલિવાઇન સ્ફટિકોમાં માળખાકીય અપૂર્ણતા હોય છે જે તેમના વર્તનને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરે છે. પોઈન્ટ ખામીઓમાં ખાલી જગ્યાઓ (ગુમ થયેલ અણુઓ), ઇન્ટર્સ્ટિશિયલ્સ (સામાન્ય રીતે બિન-કબજાવાળી સ્થિતિમાં સ્ક્વિઝ્ડ કરાયેલા વધારાના અણુ), અને અવેજી ખામી (સામાન્ય સાઇટ્સ પર ખોટા અણુઓ) નો સમાવેશ થાય છે. આ ખામીઓ, દુર્લભ હોવા છતાં, આયનીય હિલચાલ માટે માર્ગો બનાવીને પ્રસરણ દર અને વિદ્યુત વાહકતાને નિયંત્રિત કરે છે.

અવ્યવસ્થા-રેખાની ખામી જ્યાં નિયમિત ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક ગોઠવણી તૂટી જાય છે-ઓલિવિનના યાંત્રિક ગુણધર્મો પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે. ડિસલોકેશન ક્રીપ (ક્રિસ્ટલ દ્વારા આ રેખા ખામીઓની હિલચાલ) ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય સમયના ધોરણો હેઠળ મેન્ટલ ઓલિવિનમાં મુખ્ય વિરૂપતા પદ્ધતિનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. ચોક્કસ સ્લિપ સિસ્ટમ્સ (ક્રિસ્ટાલોગ્રાફિક પ્લેન અને ડિસલોકેશન ગતિની દિશાઓ) નક્કી કરે છે કે ઓલિવિન અનાજ કેવી રીતે વિકૃત થાય છે અને પસંદગીના ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક અભિગમનો વિકાસ કરે છે.

અનાજની સીમાઓ અને જોડિયા સીમાઓ જેવી વિસ્તૃત ખામીઓ ઇન્ટરફેસ બનાવે છે જ્યાં સ્ફટિક માળખું એક ઓરિએન્ટેશનથી બીજામાં સંક્રમણ કરે છે. આ સીમાઓ યાંત્રિક શક્તિને અસર કરે છે અને રાસાયણિક પરિવર્તન માટે ઝડપી પ્રસરણ માર્ગો પ્રદાન કરે છે. સબગ્રેન સીમાઓ-નીચી-અવ્યવસ્થાના એરેથી બનેલી કોણની સીમાઓ-વિકૃત ઓલિવિનમાં વિકસે છે અને વિરૂપતા ઇતિહાસને રેકોર્ડ કરે છે.

પૃથ્વીની સપાટી પર, ઓલિવિન તેની મજબૂત રચના હોવા છતાં ઝડપથી હવામાન કરે છે. પાણીના અણુઓ ઓલિવિન ફ્રેમવર્ક સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ખામી અને અનાજની સીમાઓ સાથે પ્રવેશ કરી શકે છે. સૌથી સામાન્ય ફેરફાર ઉત્પાદન સર્પેન્ટાઇન છે, જ્યારે પાણીના અણુઓ બંધારણમાં દાખલ થાય છે ત્યારે બને છે: 2Mg₂SiO₄ + 3H₂O → Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + Mg(OH)₂. આ પ્રતિક્રિયા મૂળ વોલ્યુમને 30-40% દ્વારા વિસ્તૃત કરે છે અને મૂળ ઓલિવિન માળખું નાશ કરે છે, તેને શીટ સિલિકેટ સ્તરો સાથે બદલીને.

અન્ય ફેરફાર ઉત્પાદનોમાં iddingsite (આયર્ન ઓક્સાઇડ અને માટીના ખનિજોનું ઝીણવટભર્યું-મિશ્રણ) અને બૉલિંગાઇટ (હાઇડ્રેટેડ આયર્ન-બેરિંગ સિલિકેટ)નો સમાવેશ થાય છે. આ ફેરફારની પ્રક્રિયાઓ તિરાડો અને સ્ફટિકની કિનારીઓ સાથે સૌથી ઝડપી આગળ વધે છે જ્યાં પાણી સૌથી સરળતાથી માળખું સુધી પહોંચી શકે છે. સંપૂર્ણ સ્યુડોમોર્ફિક રિપ્લેસમેન્ટ થઈ શકે છે, જ્યાં બદલાયેલ સામગ્રી બાહ્ય સ્ફટિકના આકારને જાળવી રાખે છે જ્યારે આંતરિક માળખું સંપૂર્ણપણે ગૌણ ખનિજોમાં ફેરવે છે.

અન્ય સિલિકેટ ખનિજોથી ઓલિવિનની રચના શું અલગ બનાવે છે?

ઓલિવિનમાં અલગ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા હોય છે જે ઓક્સિજનના અણુઓને એકબીજા સાથે વહેંચતા નથી, તેને નેસોસિલિકેટ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરે છે. આ સાંકળ સિલિકેટ્સ (જેમ કે પાયરોક્સીન), શીટ સિલિકેટ્સ (માઇકાસની જેમ), અને ફ્રેમવર્ક સિલિકેટ્સ (ક્વાર્ટઝની જેમ) સાથે વિરોધાભાસી છે જ્યાં ટેટ્રાહેડ્રા વિસ્તૃત માળખાં બનાવવા માટે ઓક્સિજન વહેંચે છે. આઇસોલેટેડ ટેટ્રાહેડ્રા એક ગાઢ ત્રિ-પરિમાણીય નેટવર્ક બનાવે છે જે મેટલ-ઓક્સિજન બોન્ડ દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે.

શા માટે ઓલિવિનમાં બે અલગ-અલગ મેટલ સાઇટ્સ (M1 અને M2) હોય છે?

ઓર્થોહોમ્બિક સમપ્રમાણતા અને ઓક્સિજન પરમાણુની ચોક્કસ પેકિંગ વ્યવસ્થા સહેજ અલગ કદ અને વિકૃતિઓ સાથે બે સ્ફટિકીય રીતે અલગ અષ્ટકેન્દ્રીય સ્થિતિ બનાવે છે. M1 એક વ્યુત્ક્રમ કેન્દ્ર પર બેસે છે અને તે નાનું અને વધુ વિકૃત છે, જ્યારે M2 મિરર પ્લેન પર આવેલું છે અને તે મોટું અને વધુ નિયમિત છે. આ ભિન્નતા અસર કરે છે કે ક્યા કેશન કઈ સાઇટને પસંદ કરે છે અને સામગ્રીના ભૌતિક ગુણધર્મોને નિયંત્રિત કરે છે.

રચના ઓલિવાઇન ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચરને કેવી રીતે અસર કરે છે?

સમગ્ર ફોરસ્ટેરાઇટ-શ્રેણીમાં મેગ્નેશિયમ માટે આયર્ન અવેજી તરીકે, એકમ કોષ એકસરખી રીતે વિસ્તરે છે કારણ કે Fe²⁺ Mg²⁺ કરતાં મોટો છે. મૂળભૂત માળખાકીય ટોપોલોજી અપરિવર્તિત રહે છે-સમાન અવકાશ જૂથ, સમાન અણુ સ્થાનો, સમાન સંકલન વાતાવરણ. બોન્ડની લંબાઈ થોડી વધે છે, પરંતુ અણુઓની ગોઠવણી મૂળભૂત રીતે સમાન રહે છે. આ અંતિમ-સભ્યો વચ્ચે સંપૂર્ણ નક્કર ઉકેલની મંજૂરી આપે છે.

શું ઓલિવિન માળખું પાણી અથવા અન્ય અસ્થિર પદાર્થોને સમાવી શકે છે?

પ્રમાણભૂત ઓલિવાઇન બંધારણમાં હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો અથવા પરમાણુ પાણી નથી. જો કે, હાઇડ્રોજનની ટ્રેસ માત્રામાં પોઈન્ટ ખામીઓ તરીકે સમાવી શકાય છે આ "પાણી" સામગ્રીઓ ખૂબ ઓછી રહે છે (સામાન્ય રીતે<50 ppm by weight), but even trace hydrogen significantly affects electrical conductivity and diffusion rates. Water content increases with pressure, making transition zone olivine polymorphs potentially important water reservoirs in Earth's deep interior.

ઓલિવાઇન ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર નીચેની મૂળભૂત લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે:

ક્રિસ્ટલ સિસ્ટમ: અવકાશ જૂથ Pbnm સાથે ઓર્થોરોમ્બિક (અથવા વૈકલ્પિક સેટિંગમાં Pnma)

જાળીના પરિમાણો:

ફોરસ્ટેરાઇટ: a ≈ 4.75 Å, b ≈ 10.20 Å, c ≈ 5.98 Å

ફાયાલાઇટ: a ≈ 4.82 Å, b ≈ 10.48 Å, c ≈ 6.09 Å

બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ: આઇસોલેટેડ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા મેટલ-ઓક્સિજન ઓક્ટાહેડ્રા (MO₆) દ્વારા જોડાયેલ

મેટલ સાઇટ્સ: વિવિધ કદ અને વિકૃતિઓ સાથે બે અલગ-અલગ ઓક્ટાહેડ્રલ સાઇટ્સ (M1 અને M2)

ઓક્સિજન સ્થિતિઓ: અસમપ્રમાણ એકમમાં ત્રણ ક્રિસ્ટલોગ્રાફિકલી અલગ ઓક્સિજન સાઇટ્સ

માળખાકીય પ્રકાર: હેક્સાગોનલ ક્લોઝ-ટેટ્રાહેડ્રલ અને ઓક્ટાહેડ્રલ વોઇડ્સમાં કેશન સાથે પેક્ડ ઓક્સિજન એરે

વર્ગીકરણ: નેસોસિલિકેટ (ઓર્થોસિલિકેટ) અલગ ટેટ્રાહેડ્રલ એકમોને કારણે

સંકલન: 4-સંકલન (ટેટ્રાહેડ્રલ) માં Si, 6-સંકલન (અષ્ટાધિકાર) માં M કેશન્સ

આ માળખાકીય માળખું નોંધપાત્ર રીતે મજબૂત સાબિત થાય છે, જે ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય વાતાવરણમાં વિશાળ રચનાત્મક શ્રેણીમાં સ્થિરતા જાળવી રાખે છે જ્યારે તકનીકી એપ્લિકેશન્સમાં અદ્યતન બેટરી સામગ્રીનો પાયો પણ પૂરો પાડે છે. ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચરનું મજબૂત સહસંયોજક Si-ઓક્સિજન સંકલન સાથેના લવચીક ધાતુઓનું સંયોજન-તેને પૃથ્વીની સૌથી મહત્વપૂર્ણ અને બહુમુખી ખનિજ રચનાઓમાંની એક બનાવે છે.