Amorfa kroppar

Amorfa ämnen (kroppar) (från annan grekisk ἀ "icke-" + μορφή "typ, form") - ett kondenserat tillstånd av ämnen vars atomstruktur har en kortdistansordning och inte har en långdistansordning , karakteristisk för kristallin strukturer . Till skillnad från kristaller stelnar inte stabila amorfa ämnen med bildandet av kristallina ytor, och (om de inte var under stark anisotropisk påverkan - deformation eller elektriskt fält , till exempel) har isotropi av egenskaper, det vill säga de visar inte skillnader i egenskaper åt olika håll.

Amorfa ämnen har ingen specifik smältpunkt : med ökande temperatur mjuknar stabilt amorfa ämnen gradvis och över glasövergångstemperaturen ( ) övergår de till flytande tillstånd . Ämnen som vanligtvis har en (poly-) kristallin struktur , men som är starkt underkylda vid stelning , kan stelna i ett amorft tillstånd, som vid efterföljande uppvärmning eller med tiden blir kristallina (i fast tillstånd med liten värmeavgivning).

Det amorfa tillståndet hos många ämnen erhålls vid en hög stelningshastighet (kylning) av en flytande smälta, eller när ångor kondenserar på ett ytsubstrat som kyls märkbart under smältpunkten . Förhållandet mellan den verkliga kylningshastigheten ( ) och den karakteristiska kristallisationshastigheten bestämmer andelen polykristaller i den amorfa volymen. Kristallisationshastigheten är en parameter för ett ämne som svagt beror på tryck och temperatur nära smältpunkten och starkt beror på kompositionens komplexitet.

I metaller och legeringar bildas det amorfa tillståndet som regel om smältan kyls under en tid av storleksordningen hundratals och tusentals år. ; för glasögon räcker det med en mycket lägre kylningshastighet - bråkdelar av tiotals millisekunder .

Kvarts ( ) har också en låg kristallisationshastighet, därför har produkter gjutna från en kvartssmälta en amorf struktur. Naturlig kvarts, som hade hundratals och tusentals år på sig att kristallisera under avkylningen av jordskorpan eller djupa lager nära vulkaner, har en grovkornig struktur, till skillnad från vulkaniskt glas, som har frusit på ytan och därför är amorft.

Av de konventionella polymererna ( plaster ) har endast polyeten en märkbar kristallisationshastighet vid rumstemperatur - cirka två år för mjuk ( LDPE ) och flera år (även med kristallisationsfördröjande tillsatser) för hård ( HDPE ) - redan cirka hälften kristalliserad. Detta är en av anledningarna till att polyetenprodukter blir spröda över tiden, särskilt vid förhöjda temperaturer.

Glas (konstgjorda och vulkaniska ), naturliga och syntetiska hartser , lim , paraffin , vax etc. tillhör stabila amorfa ämnen . Amorfa ämnen kan vara antingen i glasartat tillstånd (vid låga temperaturer) eller i smält tillstånd (vid höga temperaturer) . Amorfa ämnen övergår i glasartat tillstånd vid temperaturer långt under glasövergångstemperaturen . Vid mycket högre temperaturer beter sig amorfa ämnen som smältor, det vill säga de är i smält tillstånd. Viskositeten hos amorfa material är en kontinuerlig funktion av temperaturen: ju högre temperatur, desto lägre viskositet för det amorfa ämnet.

Struktur

Studier har visat att strukturerna hos vätskor och amorfa kroppar har mycket gemensamt.

I amorfa och flytande kroppar observeras kortdistansordning i packningen av partiklar (atomer eller molekyler).

Det finns också mellanliggande semi-amorfa (semi-kristallina) tillstånd.

Atomstruktur

Egenskaperna hos amorfa ämnen är mellanliggande mellan vätskor och kristallina fasta ämnen.

Liksom vätskor kännetecknas ämnen i amorft tillstånd av kort räckvidd : det finns mönster i arrangemanget av molekyler i förhållande till varandra, både geometriska ( koordinationsnummer ) och kemiska (atomer av en sort är belägna bredvid atomer av en annan sort ), men dessa mönster bevaras endast för små avstånd. För de flesta amorfa ämnen är detta avstånd från 0,5 till 5 nanometer [1] .

Som i fasta ämnen har enskilda atomer och molekyler i amorfa kroppar extremt låg rörlighet. På grund av detta behåller amorfa ämnen sin form och storlek.

Således kan å ena sidan det amorfa tillståndet uppfattas som en polykristall , vars kornstorlek endast är ett fåtal atomer [2] , och å andra sidan som en vätska med en mycket hög viskositet på 10 13 P och högre [3] ). Jämförelse av amorfa kroppar med en vätska är inte korrekt, eftersom ekvationerna som beskriver beteendet hos amorfa kroppar (till exempel beroendet av deras volym på temperatur eller deras svar på deformation) skiljer sig fundamentalt från liknande ekvationer för viskösa vätskor. Amorfa kroppar förvärvar starkt uttalade icke-newtonska egenskaper , som vätskan inte hade före kylning.

Samma ämnen kan utsättas för stelning både i kristallin och amorf form, beroende på kylningsregimen.

Atomer och molekyler i amorfa kroppar är inte i positioner av potentiell energiminimum , därför är det amorfa tillståndet metastabilt och tenderar att kristallisera med tiden, dock kan kristalliseringsprocessen vid rumstemperatur pågå i många år, århundraden eller till och med årtusenden. Övergången till en kristallin form är inte ett nödvändigt steg för alla amorfa kroppar: den äldsta påträffade bärnsten är 320 000 000 år gammal och förblir amorf. Obsidian (naturligt glas) existerar sällan på mer än några miljoner år, men under denna tid tenderar det inte att kristallisera [4] .

Vissa kylningsregimer genererar kroppar i ett blandat tillstånd, där kristaller som är några få nanometer stora separeras av mellanskikt av den amorfa fasen [5] .

Den kaotiska strukturen leder till snabb spridning av kvasipartiklar, såsom vibrationer , på grund av vilka den termiska konduktiviteten hos amorfa kroppar vanligtvis är lägre än för kristaller [6] .

Mekaniska egenskaper

På grund av bristen på ordning på lång räckvidd består sprickan i en amorf kropp ofta av slumpmässigt arrangerade rundade former, medan brottet i en kristall följer klyvningsplan .

Till skillnad från vätskor visar amorfa kroppar motstånd mot skjuvdeformationer [7] .

Amorfa metaller har en betydligt högre draghållfasthet [8]  — deras relativa töjning kan nå flera procent innan brott.

Youngs modul av amorfa kroppar är starkt beroende av temperatur, samt på hur långsamt kroppen sträcks - ju långsammare kraften ökar, desto lägre elasticitetsmodul [8] . För tillräckligt långsamma deformationer kan många amorfa kroppar betraktas som flytande .

Styrkan och korrosionsbeständigheten hos amorfa metaller är också högre än hos kristallina, troligen på grund av frånvaron av gallerdefekter [9] .

Klassificering

Flera stora grupper av amorfa ämnen kan urskiljas: glas, plast, geler. Gränserna för dessa grupper är inte tydligt definierade, till exempel finns det organiskt glas , som också är en plast. Ofta klassificeras amorfa ämnen enligt beredningsmetoderna. I detta fall kallas amorfa kroppar "glas", de erhålls genom att kyla smältan. Ibland används termen "glas" som en synonym för "kropp i amorft tillstånd".

Glas

Glasaktiga amorfa kroppar bildas av en underkyld vätska . Vid kylning ökar vätskans viskositet. Glasövergångstemperaturen är den temperatur vid vilken viskositeten når 10 13 P (en kvadriljon gånger högre än vattnets viskositet). Enligt empiriska regler är glasets övergångstemperatur ungefär 2/3 av smälttemperaturen [10] . Om vätskan har underkylts till denna temperatur utan att tillåta början av kristallisation, blir övergången till det kristallina tillståndet extremt långsam eller omöjlig, eftersom rörelsehastigheten för atomer och molekyler i kroppen också minskar med biljoner gånger.

Flera ekvationer har föreslagits som beskriver beroendet av underkylda vätskors viskositet på temperaturen.

Arrhenius lag beskriver väl viskositeten hos vanliga vätskor vid hög temperatur:

Viskositeten hos vissa underkylda vätskor beskrivs av en annan ekvation, erhållen empiriskt - Vogel-Tammann-Fulcher-lagen :

I temperaturområdet nära glasövergångstemperaturen ökar viskositeten hos en underkyld vätska kraftigt.

För vissa ämnen är orsakerna till övergången från Arrhenius-lagen till Vogel-Tammann-Fulcher-lagen inte helt klarlagda.

Glas, vars viskositet varierar enligt Arrhenius lag, kallas starkt. Glas vars viskositet ökar enligt Vogel-Fulcher-Tammann-lagen kallas sprött. I Angell -diagrammet rör sig tillståndet för starkt glas uppåt längs en rak linje när det kyls, medan det för ömtåliga glas rör sig längs en konvex bana. Graden av konvexitet för denna bana kallas glasbräcklighet . I vissa fall är kylbanan på Angell-diagrammet ännu mer komplex [12] . Här har termerna "sprödhet" och "styrka" ingenting att göra med glasögonens mekaniska egenskaper.

De mest klassiska exemplen på glasögon är oxider av halvmetaller som kisel och germanium . Sådana glasögon är hållbara. Ett exempel på sprött glas skulle vara hård toluen vid låga temperaturer.

Glasögon är mycket vanliga och liknar i egenskaper mest fasta ämnen. Det finns en vanlig missuppfattning att glas i fönster gradvis "flyter" ner, varför de nedre delarna av glaset i gamla målade glasfönster är tjockare än de övre. Faktum är att skillnaden i tjocklek beror på de tekniska processer som användes under medeltiden. Viskositeten för vanligt glas vid rumstemperatur är i storleksordningen ~10 18 P. Experiment har visat att på 6 år deformeras fönsterglas med endast 1 nanometer [13] . Det skulle ta mer än en miljon år att ändra glastjockleken med 10 % .

Polymerer

Polymerer är uppbyggda av långa molekyler. I händelse av att de inte är vikta till kulor , utan existerar i ett fritt tillstånd, är de vanligtvis starkt och kaotiskt sammanflätade och på grund av deras enorma storlek är det mycket svårt att riva upp dem för att integrera dem i kristallgittret . Å andra sidan, på grund av den stora storleken på molekylerna, har polymera amorfa kroppar några ovanliga egenskaper.

Polymerer kan existera i ett speciellt högelastiskt tillstånd . Temperaturintervallet för detta tillstånd ligger mellan fast glaskropp och smältning. Dess egenhet är att Kuhn-segmenten av varje molekyl kan rotera ganska snabbt (rotationstiden är mindre än 1 sekund), på grund av vilket kedjorna av polymermolekyler kan glida relativt fritt längs varandra, även om de inte kan bryta av. På makronivå leder detta till extremt hög elasticitet hos sådana kroppar - de kan sträckas dussintals gånger med små applicerade krafter. Kroppar som är i ett mycket elastiskt tillstånd vid rumstemperatur kallas gummi [14] .

I en amorf polymerkropp kan det finnas separata zoner där molekylkedjor bildar ett kristallgitter. I sådana nanokristaller är hela molekyler inte nödvändigtvis involverade. Om det finns tillräckligt med sådana kristallina områden, blir hela volymen av materialet fast, trots att en betydande del av det fortfarande är i amorft tillstånd [14] .

Gels

En gel är ett dispergerat system där den dispergerade fasen bildar ett oregelbundet gitter som håller hela systemet i ett stabilt tillstånd, bibehåller sin form och ger elasticitet. Dispersionsmediet förblir därför flytande. Geler kallas många amorfa hushållskroppar, främst mat ( ostar , geléer , majonnäs ) och kosmetika ( tandkräm , rakskum) [15] .

Zonteori om amorfa kroppar

Amorfa kroppar har flera egenskaper som skiljer dem från kristallina kroppar. För det första, till skillnad från kristaller, där valens- och ledningsbanden har tydliga gränser, i amorfa kroppar ändras tillståndstätheten smidigt, så vi kan bara tala om lågdensitetszoner och högdensitetszoner. Också i amorfa kroppar finns det ingen Fermi-yta och Brillouin-zon [16] .

Den andra skillnaden är att i en amorf kropp är tillstånden för en betydande del av elektronerna lokaliserade i rymden, medan de i kristaller är fördelade över hela kristallens utrymme [16] . I en delokaliserad stat

det vill säga om du väntar tillräckligt länge, kommer elektronens vågfunktion att fylla hela kristallens utrymme jämnt.

För lokaliserade elektroner beskrivs sannolikheten för att hitta en elektron på ett avstånd R från startpunkten efter en tillräckligt lång tid som:

där L är lokaliseringslängden. Ett sådant tillstånd kallas Anderson-lokalisering [17] .

Med en ökning av energin hos elektroner ökar deras lokaliseringslängd och när de når en viss nivå, kallad mobilitetströskeln , övergår elektronerna till ett delokaliserat tillstånd.

För amorfa kroppar, vars Fermi-nivå ligger under mobilitetströskeln vid en temperatur på 0 K, är laddningsbärarnas rörlighet noll, och vid en temperatur som inte är noll kännetecknas de av hoppledning : elektroner kan hoppa från ett lokaliserat tillstånd till en annan med viss sannolikhet. Intensiteten av sådana övergångar beror starkt på temperaturen.

När det gäller bandteorin kan vi säga att i amorfa kroppar är bandgapet fyllt med diskreta nivåer, även om tillståndstätheten i den är låg, och till skillnad från kristallina kroppar kan elektroner inte röra sig fritt från en nivå till en annan, men begränsas dessutom av lokalisering - endast möjliga övergångar mellan nivåer är fysiskt belägna bredvid varandra. Detta specifika område kallas mobilitetsgapet [18] .

Om Fermi-nivån ligger över rörlighetströskeln kommer den amorfa kroppen att bli en ledare.

Amorfa metaller

Amorfa metaller är i allmänhet nära glasögon i egenskaper och kallas ofta för dem. En egenskap hos metaller är att för att erhålla dem genom underkylning av smältan krävs mycket höga kylningshastigheter, upp till 10 12 K/s [10] . För detta används speciella metoder, såsom vakuumdeponering , införande av gitterdefekter i kristallen, härdning på skivan [19] .

Att föra legeringar till ett amorft tillstånd är i allmänhet lättare än rena metaller - detta kräver en kylningshastighet från hundratals till tiotusentals kelvin per sekund [20] .

Områden av den amorfa fasen bildas i vissa legeringar på grund av kraftiga skjuvdeformationer [21] .

Amorfa metaller är ledare, men deras motstånd är vanligtvis högre än i liknande metaller i kristallint tillstånd [22] .

Till skillnad från vanliga glas, som mjuknar före upphettning, kristalliserar amorfa metaller före upphettning vid en temperatur på 0,4-0,6 från smältpunkten [23] .

Amorfa halvledare

Halvledare kan också vara i amorft tillstånd. Sådana system erhålls genom kylning av smältan (halvledare baserade på selen , tellur , metallsulfider) och vakuumavsättning (amorft kisel och germanium ).

För amorfa halvledare fungerar den vanliga mekanismen för föroreningsledning nästan inte, för på grund av den kaotiska strukturen bildar föroreningsatomer lätt det erforderliga antalet bindningar som motsvarar deras valens och genererar inte "extra" elektroner eller hål. Dock skapar dopning med övergångsmetaller som volfram , järn och molybden sådana elektroner, förmodligen för att elektronerna i d-orbitalerna hos atomer av sådana element inte deltar i kovalenta bindningar [24] .

I amorfa ledare observeras ofta en omkopplingseffekt , där konduktiviteten ökar kraftigt i ett externt elektriskt fält (vid en elektrisk fältstyrka på mer än 10 7 V/m [24] .

Amorf dielektrik

I vissa amorfa kroppar (särskilt transparenta kroppar) existerar fortfarande bandgapet, det vill säga det finns ett energiområde där tillståndstätheten är identiskt lika med noll [25] . Sådana kroppar leder praktiskt taget inte ström. Amorfa dielektrika har som regel en lägre densitet än kristallina, så deras dielektricitetskonstant är också jämförelsevis lägre [26] .

Anteckningar

1. ↑ amorft tillstånd Arkiverad 11 april 2021 på Wayback Machine  (ryska)
2. ↑ Atomic Scale Structure of Materials Arkiverad 14 april 2021 på Wayback Machine 
3. ↑ av glas 
4. ↑ Glasövergång, kristallisering av glasbildande smältor och entropi . Hämtad 2 maj 2021. Arkiverad från originalet 18 september 2020. (obestämd)
5. ↑ Amorfa och nanokristallina strukturer: likheter, skillnader, ömsesidiga övergångar Arkiverad 21 januari 2022 på Wayback Machine  (ryska)
6. ↑ Termisk ledningsförmåga för amorfa material Arkiverad 10 augusti 2021 på Wayback Machine 
7. ↑ Amorf solid Arkiverad 21 april 2021 på Wayback Machine 
8. ↑ 1 2 Mekaniska egenskaper hos amorfa metaller Arkiverad 10 augusti 2021 på Wayback Machine 
9. ↑ Amorfa metaller arkiverade 11 april 2021 på Wayback Machine  (ryska)
10. ↑ 1 2 Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , sid. 61.
11. ↑ Temperaturberoende av Arrhenius-typ för segmentavslappningen under T g Arkiverad 8 november 2020 på Wayback Machine 
12. ↑ Bräckliga till starka övergångar i glasbildande vätskor Arkiverad 29 november 2020 på Wayback Machine 
13. ↑ Avslappningstid och viskositet för smält kiselglas vid rumstemperatur Arkiverad 8 mars 2021 på Wayback Machine 
14. ↑ 1 2 Glas, gummi och smältfas Arkiverad 10 april 2021 på Wayback Machine 
15. ↑ Svaga och starka geler och uppkomsten av det amorfa fasta tillståndet
16. ↑ 1 2 Pavlov, Khokhlov, 2000 , sid. 459.
17. ↑ Anderson-lokalisering Arkiverad 11 april 2021 på Wayback Machine  (ryska)
18. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , sid. 462.
19. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , sid. trettio.
20. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , sid. 60.
21. ↑ Extrema belastningar orsakar amorfa faser i högentropilegering Arkiverad 3 februari 2021 på Wayback Machine  (ryska)
22. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , sid. 197.
23. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , sid. 477.
24. ↑ 1 2 amorfa och glasartade halvledare Arkiverad 12 april 2021 på Wayback Machine 
25. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , sid. 461.
26. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , sid. 476.

Litteratur

• Skryshevsky AF Strukturanalys av vätskor och amorfa kroppar. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare .. - M . : Högre skola, 1980. - S. 302-324. — 328 sid.
• Shults M. M. , Mazurin O. V. Modern förståelse av strukturen hos glasögon och deras egenskaper. - L . : Nauka, 1988. - 200 sid. — ISBN 5-02-024564-X .
• jag. M. Kucheruk, I. T. Gorbachuk, P.P. Lutsik. Zagalniy kurs i fysik: En guide för 3 volymer - Kiev: Tekhnika, 2006.
• Suzuki K., Fujimori H., Hashimoto K. Amorfa metaller. - M . : "Metallurgy", 1987. - 328 sid.
• Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Fasta tillståndets fysik. - M . : "Högstadiet", 2000. - 494 sid. — ISBN 5-06-003770-3 .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor norsk Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	NDL : 00567945 NKC : ph118405