16-09-2025-Materials Technology - Crystalline Structure [EN]-[IT]

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ENGLISH

16-09-2025-Materials Technology - Crystalline Structure [EN]-[IT]
With this post, I would like to provide a brief introduction to the topic in question.
(lesson/article code: QE_06)

Image created with artificial intelligence, the software used is Microsoft Copilot

Introduction
Crystalline solids, due to the ordered structure of their atoms, molecules, or ions, possess a well-defined shape. Metals are crystalline and are composed of well-defined crystals or grains. The grains are small and are not clearly observable due to the opaque nature of metals. In minerals, which are more translucent due to their transparent nature, well-defined crystalline shapes are clearly observable.
In contrast, amorphous solids have little or no long-range ordering and do not solidify with the symmetry and regularity of crystalline solids.

In materials technology, it is important to understand the following for the ultimate purpose of matter itself.

The physical structure of solid materials of technological interest depends primarily on the arrangement of the atoms, ions, or molecules that compose the solid and the forces that bind them together.

The Basics
A crystal is made up of atoms arranged in an orderly and repetitive fashion in space. This arrangement is called a crystal lattice.
Essentially, it's like an infinite lattice, but you don't need to draw it all; simply identify the basic building block that, when repeated, reconstructs the entire crystalline structure. This basic building block is called a unit cell.

Crystalline Solid
If the atoms or ions of a solid are present in a repetitive arrangement in the three dimensions of space, they form a solid that has long-range order and is called a crystalline solid. Examples of this type of solid include metals, alloys, and some ceramic materials.

Simple Crystal Lattice
The simple cubic lattice is the most intuitive form, with eight atoms positioned only at the corners of the cube.

Image created with artificial intelligence, ChatGPT software used

This simple crystal structure is actually rare in nature—it's characteristic of polonium, for example—but it's certainly the simplest to explain and the most useful starting point for understanding more complex crystal structures.

CFC
The so-called CFC configuration is a type of crystal structure that's very common in metals.

The essential part of this configuration is that it's a face-centered cube, so the fundamental unit is a cube, the unit cell.

In the CFC structure, the coordination number is 12.
In CFC, each atom has 12 nearest neighbors.
Below is an example of a CFC (FCC) crystal structure.

https://chatgpt.com/auth/login

In this schematic drawing, the blue spheres represent the atoms at the vertices of the cube, while the orange spheres represent the atoms at the centers of the faces.

This arrangement corresponds to 4 equivalent atoms per unit cell with a coordination number of 12 and a close-packing factor of approximately 0.74.

What does 4 equivalent atoms mean
The eight blue atoms at the vertices are worth 1/8 each because each vertex is shared by 8 different cells. In total, 8 x 1/8 = 1
The orange atoms on the faces are worth 1/2 each, because each face is shared by two cells. In total, 6 x 1/2 = 3
Now if we add the results, 1 + 3 = 4 equivalent atoms per unit cell.

What does it mean that the orange atoms on the faces are worth 1/2 each
This concept is graphically explained in the figure where we see two adjacent cells, A and B, and the orange atom is located exactly on the face shared between the two. This means that it belongs half to cell A and half to cell B, which is why we previously counted these atoms with the value 1/2.

Image created with artificial intelligence, the software used is ChatGPT

What does it mean that the eight blue atoms at the vertices are worth 1/8
It means that the vertex where an atom is located is shared with eight other cubes, that is, eight other cells. In the image below, I've marked a vertex in red and numbered the eight cubes that touch it. That vertex, or rather, that atom, is divided by eight because there are precisely eight cells that share that atom.

Image created with artificial intelligence, the software used is ChatGPT

Conclusions
A crystalline solid is a form of matter in which atoms, ions, or molecules are arranged in a regular geometric order that repeats in space. This represents the basic structure and is also called the crystal lattice. The crystal lattice of a material is studied to understand its structure in order to predict and design the technological and application characteristics of materials.

Question
Did you know that the first person to determine how atoms are internally arranged in a metal was the German physicist Max von Laue (1879-1960)? Did you know that Max von Laue became famous in 1912 for the discovery of X-ray diffraction in crystals? Did you also know that the 1914 Nobel Prize in Physics was awarded to Max von Laue?

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ITALIAN

16-09-2025-Tecnologie dei materiali - struttura cristallina [EN]-[IT]
Con questo post vorrei dare una breve istruzione a riguardo dell’argomento citato in oggetto
(codice lezione/articolo: QE_06)

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è Microsoft Copilot

Introduzione
I solidi cristallini, a causa della struttura ordinata dei loro atomi, molecole o ioni, possiedono una forma ben definita. I metalli sono cristallini e sono composti da cristalli o grani ben definiti. I grani sono piccoli e non sono chiaramente osservabili a causa della natura opaca dei metalli. Nei minerali, maggiormente traslucidi per la natura trasparente, le forme cristalline ben definite sono chiaramente osservabili.
Al contrario, i solidi amorfi hanno poco o nessun ordinamento a lungo raggio e non solidificano con la simmetria e la regolarità dei solidi cristallini.

In tecnologia dei materiali è importante comprendere quanto segue per lo scopo finale anche della materia stessa.

La struttura fisica dei materiali solidi di interesse tecnologico dipende principalmente dalla disposizione degli atomi, ioni o molecole che compongono il solido e dalle forze che li legano fra loro.

Le basi
Un cristallo è formato da atomi disposti in modo ordinato e ripetitivo nello spazio. Questa disposizione si chiama reticolo cristallino.
Sostanzialmente è come se fosse un reticolo infinito, ma non serve disegnarlo tutto, basta identificare il mattone base che ripetuto ricostruisce l'intero cristallino. Il mattone base si chiama cella elementare.

Solido cristallino
Se gli atomi o gli ioni di un solido sono presenti secondo una disposizione ripetitiva nelle tre dimensioni dello spazio, essi formano un solido che ha ordine a lungo raggio ed è detto solido cristallino. Esempi di questo possono essere i metalli, le leghe ed alcuni materiali ceramici.

Reticolo cristallino semplice
Il reticolo cubico semplice è la forma più intuitiva dove ci sono 8 atomi posizionati solo ai vertici del cubo.

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è ChatGPT

In realtà questa struttura cristallina semplice è rara in natura, ad esempio è caratteristico del Polonio, ma è sicuramente il più semplice da spiegare ed è il più utile da cui partire per comprendere strutture cristalline più complesse.

CFC
La configurazione detta CFC è un tipo di struttura cristallina che è molto comune nei metalli.
La parte essenziale di questa configurazione è che è un cubo a facce centrate, quindi l’unità fondamentale è un cubo, la cella elementare.

Nella struttura CFC si ha il numero di coordinazione pari a 12.
In CFC ogni atomo ha 12 primi vicini
Qui di seguito un esempio di struttura cristallina CFC(FCC)

https://chatgpt.com/auth/login

In questo disegno schematico, le sfere blu rappresentano gli atomi ai vertici del cubo, mentre in arancione gli atomi al centro delle facce

Questa disposizione corrisponde a 4 atomi equivalenti per cella elementare con numero di coordinazione pari a 12 e fattore di compattazione di circa 0,74.

Cosa significa 4 atomi equivalenti
Gli otto atomi blu ai vertici valgono 1/8 ciascuno perché ogni vertice è condiviso da 8 celle diverse. In totale 8x1/8=1
Gli atomi arancioni sulle facce valgono 1/2 ciascuno, perché ogni faccia è condivisa da due celle. In totale 6x1/2=3
Ora se sommiamo i risultati 1+3=4 atomi equivalenti per cella elementare.

Cosa significa che gli atomi arancioni sulle facce valgono 1/2 ciascuno
Nella figura è spiegato graficamente questo concetto dove vediamo due celle adiacenti A e B e l'atomo arancione si trova esattamente sulla faccia in comune tra le due. Questo significa che appartiene per metà alla cella A e per metà alla cella B, per questo motivo prima, questi atomi li abbiamo conteggiati con il valore di 1/2.

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è ChatGPT

Cosa significa che gli otto atomi blu ai vertici valgono 1/8
Significa che quel vertice dove c'è un atomo, è condiviso con altri 8 cubi, cioè altre 8 celle. Nell'immagine qui sotto segno in rosso un vertice e ho numerato gli 8 cubi che lo toccano. Quel vertice, o meglio dire, quell'atomo è diviso per 8 in quanto sono proprio 8 le celle che condividono quell'atomo.

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Conclusioni
Il solido cristallino è una forma di materia in cui gli atomi, gli ioni o le molecole si dispongono secondo un ordine geometrico regolare e che si ripete nello spazio. Questo rappresenta la struttura di base e viene anche chiamato reticolo cristallino. Il reticolo cristallino di un materiale viene studiato per comprenderne la struttura in modo da prevedere e progettare le caratteristiche tecnologiche e applicative dei materiali.

Domanda
Sapevate che il primo a determinare come gli atomi sono ordinati internamente in un metallo è stato il fisico tedesco Max von Laue (1879-1960)? Sapevate che Max von Laue diventò famoso nel 1912 per la scoperta della diffrazione dei raggi X nei cristalli? Sapevate anche che il Premio Nobel per la Fisica nel 1914 fu assegnato proprio a Max von Laue?

THE END