پژوهش علمی در زمینه رنگین کمان بلورها

­تحقیق زمینه‌ای
بررسی و نمایش انواع بلور مواد خوراکی و شیمیایی
*از بلور چه می‌دانیم؟
بلورها یکی از زیباترین شکل‌های مواد موجود در طبیعت هستند که از گذشته موردتوجه بشر نخستین و بشر امروزی بوده‌اند. زیبایی و تنوع رنگ، نقش، زوایا و ویژگی‌های کاربردی بلورها به همراه گستردگی موارد استفاده از آن‌ها باعث شده که محققان و دانشمندان همواره در تلاش برای گسترش دانش و توانایی خود در مطالعه و تولید بلورهای مختلف باشند. بلورهای موجود در طبیعت نیز همواره برای بشر جذاب بوده است. خداوند مهربان نیز در قرآن خود را به نوری تشبیه کرده است که از میان قندیل بلورینی بر آسمان‌ها و زمین می‌تابد.
*کریستال، بلور، برلیس از یونان می‌آیند
در راه دانش و فن بلور، محققان از تصفیه کردن بلورهای نمک آب دریا تا تولید الماس به‌صورت مصنوعی به‌عنوان گران و شگفت‌انگیزترین نوع بلور، همواره در این راه تلاش کرده‌اند.
در تعریف علمی به مواد جامدی که اجزای سازنده آن‌ها (مولکول، اتم یا یون‌ها) در سه جهت به‌صورت منظم کنار هم قرارگرفته یا دارای نظم خاصی باشند، کریستال یا بُلور می‌گویند. واژه کریستال ریشه یونانی دارد و به معنی «منجمد شده در اثر سرما» است. یونانی‌ها کریستال را برای اشاره به‌نوعی ماده به نامه دُرّ کوهی به کار می‌بردند. «بلور» نیز کلمه‌ای عربی و برگرفته از کلمه «برلیس» یونانی (به معنای زمرد و زبرجد) است.
مواد جامد دسته‌های گوناگونی دارند. این مواد به دو دسته اصلی متبلور و بی‌شکل دسته‌بندی می‌شوند. در دسته مواد متبلور، اجزای سازنده (اتم یا مولکول) با نظم مشخصی که به آن شبکه بلوری می‌گویند، شکل‌گرفته‌اند. سایر مواد جامد، این ویژگی را ندارند.
پس از پیشرفت‌های علمی به‌ویژه علم شیمی، دانش بشر در زمینه بلورشناسی و ساخت بلور، رشد چشمگیری داشته است. امروزه تنوع بی‌نظیری در انواع بلور و مواد سازنده آن‌ها و کاربردهای علمی، تجاری، تزئینی و ... وجود دارد.
*بلورها شناسنامه دارند
بلورها از نظر ماده سازنده، شکل بلور، اندازه هر بلور و شکل هندسی به انواع گوناگونی تقسیم می‌شوند. تعداد وجه هر بلور و شکل آن در انواع مواد مختلف متفاوت است و از روی ویژگی‌های ظاهری بلور می‌توان تا حد زیادی به نوع ماده سازنده آن پی برد و مانند شناسنامه هر بلور هستند.
نظم بیرونی بلورها بر اثر نظم درونی آن‌هاست. به دلیل همین نظم، سطح‌های خارجی بلورها صاف و هموار هستند. این سطح‌های صاف با یکدیگر زاویه‌هایی می‌سازند که اندازه‌های آن‌ها در بلورهای یک ماده همواره ثابت است. یکی از راه‌های تشخیص بلورها از یکدیگر، اندازه‌گیری زاویه بین سطح‌های آن‌هاست. بلورها به شکل‌های مکعب، منشور، هرم و چند وجهی‌های مختلف هستند و معمولا سطح‌ها و زاویه‌های هر شکلی از آن‌ها مشابه و قرینه یکدیگرند.
*سفر زیبا از محلول به بلور
ایجاد بلور به‌طورمعمول با سرد شدن یک نمک مذاب یا محلول (گاز یا مایع) غلیظ رخ می‌دهد. در بعضی مواد لازم است که یک تکه کوچک جامد را در محلول قرار دهیم. این تکه جامد، هسته‌ای برای رشد بلورها فراهم می‌سازد.
هنگام تشکیل بلورها، اگر فضا و زمان و شرایط مناسب وجود داشته باشد بلورهای درشتی به وجود می‌آیند. این بلورها را به‌صورت تک‌بلور می‌توان مشاهده و بررسی کرد. اگر شرایط مناسب نباشد، بلورها به اندازه‌های کوچک‌تر و به‌صورت مجموعه‌ها و توده‌های ریز تشکیل می‌شوند. گاهی بلورها به‌قدری ریز هستند که نمی‌توان آن‌ها را با چشم دید و برای مطالعه آن‌ها از ذره‌بین، میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی و اشعه ایکس استفاده می‌شود.
*زیبایی بلور با ناخالصی سر ناسازگاری دارد!
هر ماده ممکن است بیشتر از یک شکل بلوری داشته باشد. شکل بلور به دما و سرعت تشکیل بلورها بستگی دارد. ناخالصی‌ها شکل و رنگ بلورها را تغییر می‌دهند.
*محلول، حلال، حل شونده
محلول‌ها مخلوطی از دو یا چند ماده‌ی شیمیایی در حالت‌های گوناگون مواد مانند جامد، مایع و گاز هستند؛ اما در مورد این نمایش علمی، ما با محلول جامد در مایع و یا جامد در گاز (برای نفتالین) کار می‌کنیم. اگر مواد با یک توزیع یکنواخت در هم مخلوط شوند به آن محلول می‌گویند. از نمونه‌های در دسترس آن می‌توان به حل شدن شکر و نمک در آب و تولید یک مایع زلال شیرین یا شور اشاره کرد. میزان ماده‌ای (به‌عنوان‌مثال برحسب گرم) که در واحد حجم (به‌عنوان‌مثال برحسب لیتر) حل شده است را غلظت ماده حل‌شده می‌گوییم. غلظت محلول در ساخت و رشد بلور نقش اساسی دارد.
*وقتی محلول از ماده سیر می‌شود!
هنگامی‌که محلولی با بیشترین غلظت ممکن تهیه شود، این محلول به‌عنوان اشباع یا سیرشده شناخته می‌شود. با افزایش دما میزان غلظت محلول اشباع افزایش می‌یابد و با به جوش آمدن محلول، به حداکثر میزان خود می‌رسد. در بیشتر مراحل ساخت و رشد بلور، گام نخست، تهیه محلول در حال جوش و اشباع ماده سازنده بلور است که پس‌ازآن، مراحل سرد کردن و رشد بلور به شیوه‌های گوناگون آغاز می‌شود.
*آنگاه که بلور زاده می‌شود
تولد بلور از تشکیل یک جوانه بلور کوچک حتی در اندازه‌های میکروسکوپی آغاز می‌شود. پس‌ازآن، این جوانه کوچک شروع به رشد می‌کند تا سرانجام در اندازه بزرگ به کریستال نهایی تبدیل شود. ‏جوانه‌ها بلورهای ریزی هستند که به‌طور ‏ناگهانی ‏در بخارها و مایع‌های اشباع‌شده و یا مواد ذوب و سرد شده تشکیل می‌شوند.

شرح نمایش علمی
پس از انتخاب موضوع نمایش علمی و مشورت با تعدادی از استادان و مهندسان شیمی، تعداد زیادی مواد شیمیایی با قابلیت تبلور معرفی شد. از بین مواد در دسترس در زندگی روزمره، مواد شیمیایی متداول و مواد شیمیایی خاص جمعا 14 نمونه را انتخاب و برای تهیه آن‌ها برنامه‌ریزی کردیم.
تلاش کردیم مواد انتخاب شده از نظر انواع رنگ، ساختار بلور، روش رشد، کاربرد ماده سازنده و امکان اجرا در محیط خانه یا آزمایشگاه مدرسه متنوع باشد و آزمایش‌ها را به شرح زیر انجام دادیم.
1-شکر سفید: از این ماده خوراکی در جهت ساخت بلوری که در اصطلاح به آن نبات گفته می‌شود استفاده کردیم. این بلور در مقایسه با همه موادی که در این آزمایش استفاده شد، زمان رشد بیشتری نیاز داشت و بلور زیبای نهایی پس از یک هفته تشکیل شد.
2-شکر قهوه‌ای: ازآنجایی‌که توجه و علاقه من به موضوع بلور از ابتدا با دیدن دانه‌های شکر قهوه‌ای در هنگام صرف صبحانه و دیدن تفاوت اندازه دانه‌های آن با شکر معمولی شکل گرفته بود، در این آزمایش علاقه‌مند بودم از هر دو نوع شکر برای ساختن نبات استفاده کنم که البته نتیجه جالب بود. با اینکه دانه‌های شکر قهوه‌ای معمولا درشت‌تر از شکر سفید است، ولی نبات (بلور) تشکیل شده از این نوع شکر، در مقایسه با میزان مساوی شکر سفید، کوچک‌تر و نامنظم‌تر بود و برای رشد بلور به زمان بیشتری نیاز داشت.
3-نمک طعام: برای تولید بلور نمک هم از روش تهیه محلول اشباع استفاده کردم و با آویزان کردن تکه‌ای نمک چشم‌انتظار رشد بلور شدم. بلور رشد کرد ولی در مقایسه با سنگ نمک‌هایی که در بازار دیده بودم، دانه‌های کوچک‌تری داشت. بعد از سؤال از راهنماهای تحقیق، متوجه شدم احتمالا به دلیل وجود ناخالصی، بلور آن خیلی بزرگ نشده است.
4-نفتالین: در آزمایش من تنها ماده‌ای که برای تولید بلور نیاز به حل شدن در آب نداشت، نفتالین بود. البته به دلیل بوی تند و سمی بودن، این بلور را در آزمایشگاه مدرسه ساختم. نفتالین با گرما دادن در بِشر هم تصعید می‌شود هم تبخیر. همچنین با گذاشتن شیشه ساعت در بالای بشر در زمان حرارت دادن، با سرد شدن بخار نفتالین بلورهای زیبای سوزنی شکل تشکیل می‌شود. به دلیل امکان تصعید نفتالین، این بلور به‌صورت بشر دربسته ارائه شده است.
5- پرمنگنات پتاسیم: این ماده شیمیایی زیبا به رنگ بنفش تیره پس از حل شدن در آب محلول بسیار تیره‌رنگی ایجاد کرد و البته در تحقیقات مشخص شد باید در تماس پوست با آن احتیاط کرد. پرمنگنات نیازی به آویزان کردن نخ و تکه‌ای از ماده اصلی ندارد. بلورهای این ماده در کف لیوان دارای محلول اشباع، مانند خارهای بیابان رشد می‌کند. البته در گذشته ظاهرا در ساختن ترقه‌های خانگی هم استفاده می‌شده است.
6-سرب دو نیترات: بلور این ماده سفیدرنگ، با آویزان کردن نخ در محلول اشباع‌شده تشکیل می‌شود. محلول اشباع سرب دو نیترات چندان شفاف نشد، ولی پس از تشکیل بلور بسیار زیبای آن که دانه‌های مکعبی شکل داشت، محلول هم کاملا شفاف شد. رنگ سفید این بلور شفاف نبود ولی درخشش خاصی داشت.
7-مونو آمونيوم فسفات: کار با این ماده برای من بسیار جذاب بود. بلورهای این ماده در سطح و کف ظرف حاوی محلول اشباع رشد می‌کند. بلور اصلی این ماده سفید است ولی می‌توان با اضافه کردن رنگ خوراکی به محلول، بلورهای متنوعی درست کرد. من هم این کار را در رنگ‌های مختلف تجربه کردم؛ اما رشد بلورهای درختی شکل از کناره‌های ظرف باقی‌مانده از آزمایش اصلی من که در ارائه به نمایش گذاشتم، تجربه هیجان‌انگیزی بود که انتظار آن را نداشتم.
8-بوراکس: بلور سفیدرنگ بوراکس خیلی سریع رشد می‌کند. از بوراکس برای ساختن رنگین‌کمان بلورها که در بالای این پنل نصب شده است استفاده کردم. با غوطه‌ور کردن مفتول‌های پوشانده شده با روبان‌هایی به 7 رنگ رنگین‌کمان، بعد از 2 ساعت، رنگین‌کمان بلور شکل گرفت و من عنوان نمایش علمی را با دست‌سازی از خودم کامل‌تر کردم.
9- آسپرین: قرص آسپرین که معمولا به‌عنوان دارو استفاده می‌شود، در آزمایش ما نقش علمی پیدا کرد. محلول اشباع آسپرین را در 4 ظرف‌ یک‌بارمصرف کوچک ریختم. در 3 ظرف رنگ‌های خوراکی زرد، بنفش و قرمز اضافه کردم. بلورهای سوزنی شکل آسپرین به‌سرعت در ته و دیواره‌های ظرف رشد کرد و جالب این بود که اندازه بلور ظرف‌هایی با رنگ‌های مختلف، متفاوت بود.
10- نمک اپسوم: در تحقیق اولیه این آزمایش، اعلام شده بود که نیازی به جوشاندن ماده اشباع نیست؛ اما پس از گذشت یک روز از ریختن محلول در ظرف، هیچ اثری از بلور ندیدم. برای همین محلول را جوشاندم تا غلیظ‌تر شد. این بار جوانه‌های درخشان بلور سرزنده و شاداب از کف به سمت‌های مختلف رشد کرد.
11- آمونیوم دی کرومات: بلورهای درخشان و زیبای این ماده شیمیایی نارنجی‌رنگ، روی نخ غوطه‌ور در محلول اشباع تشکیل شد؛ اما هم‌زمان در سطح و کف ظرف هم بلورهای زیادی رشد کرد. جالب این بود که بلورهای سطح مایع از همه زیباتر و درخشان‌تر شدند. از این ماده در آزمایش کوه آتش‌فشان هم استفاده می‌شود و من برای اینکه بتوانم این آزمایش هیجان‌انگیز را هم انجام دهم، مقداری از این ماده را نگه داشتم!
12- پتاسیوم دی کرومات: رنگ ماده و محلول پتاسیم دی کرومات مانند آمونیوم دی کرومات نارنجی بود، اما در مراحل ساخت، بلورهای این ماده در روی نخ در اندازه‌های بسیار بزرگ‌تری رشد کردند اما نسبت به آمونیوم دی کرومات، چندان درخشان نبود. همچنین با توجه به خورنده بودن ماده، رنگ نخ از سفید به سیاه تغییر رنگ داده بود.
13-کات‌کبود: این ماده یکی از مواد موردعلاقه من بود. هم رنگ زیبایی داشت و هم بلور آن به‌سرعت رشد می‌کرد و دانه‌های درشتی را روی بلور کوچک آویزان در محلول اشباع ایجاد می‌کرد. 
14-زاج سفید: زاج یکی از بهترین تجربه‌های من در این طرح علمی بود. در محلول زاج سفید بزرگ‌ترین و باکیفیت‌ترین بلور رشد کرد و علاوه بر آن در کف لیوان یک‌بارمصرف محتوی محلول، بلورهای کوچک‌تر و لایه‌لایه‌ به‌جا ماند. شکل بلور این ماده تفاوت زیادی با بقیه مواد داشت.
* نکات مهم کار با مواد شیمیایی:
من سعی کردم در موقع کار کردن با مواد دارای بو و سمی، نکات مهمی مانند استفاده از دستکش، عینک، ماسک و روپوش را رعایت کنم. همچنین پدر و مادرم با همراهی من در آزمایش، مراقب بودند که تمامی موارد برای جلوگیری از آسیب در آزمایش‌ها رعایت شود.

مشخصات دانش آموزی
نام و نام خانوادگی دانش آموز: پرهام اکبری
واحد آموزشی: دبستان علامه طباطبایی دوره اول  واحد آبشناسان
منطقه 5 اداره کل آموزش و پرورش استان تهران
پایه تحصیلی: سوم دبستان
نوع پژوهش: نمایش علمی - نمایش
نام معلم راهنما: سرکار خانم فرزانه حسنی
نام مدیر مدرسه: سرکار خانم دکتر دفاعی

منابع:
1- قرآن کریم- ترجمه حسین انصاریان
2- سایت انجمن بلورشناسی و کانی‌شناسی ایران
http://www.cmsi.ir/UI/HistoryCrystal?Lang=fa
3- سایت دانشنامه رشد/بخش بلورشناسی
yon.ir/daneshrosh
4- سایت Thoughtco.com
https://www.thoughtco.com/grow-cup-of-quick-crystal-needles-606251
5- سایت rookie parenting sciencs
https://www.rookieparenting.com