Amorfe kroppe

Amorfe stoffer (legemer) (fra andet græsk ἀ "ikke-" + μορφή "type, form") - en kondenseret tilstand af stoffer, hvis atomstruktur har en kortrækkende orden og ikke har en langrækkende orden , karakteristisk for krystallinsk strukturer . I modsætning til krystaller størkner stabilt amorfe stoffer ikke med dannelsen af ​​krystallinske flader, og (hvis de ikke var under stærk anisotrop påvirkning - deformation eller elektrisk felt , for eksempel) har isotropi af egenskaber, det vil sige, at de ikke viser forskelle i egenskaber i forskellige retninger.

Amorfe stoffer har ikke et specifikt smeltepunkt : med stigende temperatur blødgøres stabilt amorfe stoffer gradvist og over glasovergangstemperaturen ( ) går over i en flydende tilstand . Stoffer, der normalt har en (poly-) krystallinsk struktur , men er stærkt underafkølet ved størkning , kan størkne i en amorf tilstand, som ved efterfølgende opvarmning eller over tid bliver krystallinsk (i fast tilstand med ringe varmeafgivelse).

Den amorfe tilstand af mange stoffer opnås ved en høj størkningshastighed (afkøling) af en flydende smelte, eller når dampe kondenserer på et overfladesubstrat, der er afkølet mærkbart under smeltetemperaturen . Forholdet mellem den reelle afkølingshastighed ( ) og den karakteristiske krystallisationshastighed bestemmer andelen af ​​polykrystaller i det amorfe volumen. Krystallisationshastigheden er en parameter for et stof, der svagt afhænger af tryk og temperatur nær smeltepunktet og stærkt afhænger af sammensætningens kompleksitet.

I metaller og legeringer dannes den amorfe tilstand som regel, hvis smelten afkøles over en tid af størrelsesordenen hundreder og tusinder af år. ; for briller er en meget lavere afkølingshastighed tilstrækkelig - brøkdele af titusinder af millisekunder .

Kvarts ( ) har også en lav krystallisationshastighed; derfor har produkter støbt fra en kvartssmelte en amorf struktur. Naturlig kvarts, som havde hundreder og tusinder af år til at krystallisere under afkølingen af ​​jordskorpen eller dybe lag i nærheden af ​​vulkaner, har en grovkornet struktur i modsætning til vulkansk glas, som er frosset på overfladen og derfor er amorft.

Af de konventionelle polymerer ( plastik ) har kun polyethylen en mærkbar krystallisationshastighed ved stuetemperatur - omkring to år for blød ( LDPE ) og flere år (selv med krystallisationshæmmende additiver) for hård ( HDPE ) - allerede omkring halvt krystalliseret. Dette er en af ​​årsagerne til, at polyethylenprodukter bliver skøre over tid, især ved høje temperaturer.

Glas (kunstige og vulkanske ), naturlige og syntetiske harpikser , klæbemidler , paraffin , voks osv. hører til stabile amorfe stoffer Amorfe stoffer kan enten være i glasagtig tilstand (ved lave temperaturer) eller i smeltetilstand (ved høje temperaturer) . Amorfe stoffer går over i glasagtig tilstand ved temperaturer et godt stykke under glasovergangstemperaturen . Ved meget højere temperaturer opfører amorfe stoffer sig som smelter, det vil sige, at de er i smeltet tilstand. Viskositeten af ​​amorfe materialer er en kontinuerlig funktion af temperaturen: Jo højere temperatur, jo lavere viskositet af det amorfe stof.

Struktur

Undersøgelser har vist, at strukturerne af væsker og amorfe kroppe har meget til fælles.

I amorfe og flydende legemer observeres kortrækkende orden i pakningen af ​​partikler (atomer eller molekyler).

Der er også mellemliggende semi-amorfe (semi-krystallinske) tilstande.

Atomstruktur

Amorfe stoffers egenskaber ligger mellem væsker og krystallinske faste stoffer.

Ligesom væsker er stoffer i amorf tilstand karakteriseret ved kort rækkefølge : der er mønstre i arrangementet af molekyler i forhold til hinanden, både geometriske ( koordinationsnummer ) og kemiske (atomer af en slags er placeret ved siden af ​​atomer af en anden slags ), men disse mønstre bevares kun i små afstande. For de fleste amorfe stoffers vedkommende er denne afstand fra 0,5 til 5 nanometer [1] .

Som i faste stoffer har individuelle atomer og molekyler af amorfe legemer ekstremt lav mobilitet. På grund af dette bevarer amorfe stoffer deres form og størrelse.

Således kan den amorfe tilstand på den ene side opfattes som en polykrystal , hvis kornstørrelse kun er nogle få atomer [2] , og på den anden side som en væske med en meget høj viskositet på 10 13 P og højere [3] ). Sammenligning af amorfe legemer med en væske er ikke nøjagtig, da ligningerne, der beskriver amorfe legemers opførsel (for eksempel afhængigheden af ​​deres volumen på temperatur eller deres reaktion på deformation) er fundamentalt forskellige fra lignende ligninger for viskøse væsker. Amorfe legemer opnår stærkt udtalte ikke-newtonske egenskaber , som væsken ikke havde før afkøling.

De samme stoffer kan udsættes for størkning både i krystallinsk og amorf form, afhængigt af afkølingsregimet.

Atomer og molekyler i amorfe legemer er ikke i positioner med potentielt energiminimum , derfor er den amorfe tilstand metastabil og har en tendens til at krystallisere over tid, men krystalliseringsprocessen ved stuetemperatur kan vare i mange år, århundreder eller endda årtusinder. Overgangen til en krystallinsk form er ikke et nødvendigt skridt for alle amorfe legemer: Det ældste fundne rav er 320.000.000 år gammelt og forbliver amorft. Obsidian (naturligt glas) eksisterer sjældent i mere end et par millioner år, men i løbet af denne tid har det ikke tendens til at krystallisere [4] .

Nogle afkølingsregimer genererer legemer i en blandet tilstand, hvor krystaller på få nanometer store er adskilt af mellemlag af den amorfe fase [5] .

Den kaotiske struktur fører til hurtig spredning af kvasipartikler, såsom vibrationer , på grund af hvilke varmeledningsevnen af ​​amorfe legemer normalt er lavere end for krystaller [6] .

Mekaniske egenskaber

På grund af manglen på lang rækkefølge består bruddet af et amorft legeme ofte af tilfældigt arrangerede afrundede former, mens bruddet af en krystal følger spaltningsplaner .

I modsætning til væsker viser amorfe legemer modstand mod forskydningsdeformationer [7] .

Amorfe metaller har en betydeligt højere trækstyrke [8]  - deres relative forlængelse kan nå flere procent før fejl.

Youngs modul af amorfe legemer er meget afhængig af temperatur, samt af hvor langsomt kroppen strækkes – jo langsommere kraften øges, jo lavere elasticitetsmodul [8] . For tilstrækkelig langsomme deformationer kan mange amorfe legemer betragtes som flydende .

Styrken og korrosionsbestandigheden af ​​amorfe metaller er også højere end i krystallinske, sandsynligvis på grund af fraværet af gitterdefekter [9] .

Klassifikation

Der kan skelnes mellem flere store grupper af amorfe stoffer: glas, plastik, geler. Grænserne for disse grupper er ikke klart definerede, for eksempel er der organisk glas , som også er en plastik. Ofte klassificeres amorfe stoffer i henhold til fremstillingsmetoderne. I dette tilfælde kaldes amorfe legemer "glas", de opnås ved at afkøle smelten. Nogle gange bruges udtrykket "glas" som et synonym for "krop i en amorf tilstand".

Glas

Glasagtige amorfe legemer dannes af en underafkølet væske . Ved afkøling øges væskens viskositet. Glasovergangstemperaturen er den temperatur, hvor viskositeten når 10 13 P (en kvadrillion gange større end viskositeten af ​​vand). Ifølge empiriske regler er glasovergangstemperaturen cirka 2/3 af smeltetemperaturen [10] . Hvis væsken er blevet underafkølet til denne temperatur uden at tillade begyndelse af krystallisation, bliver overgangen til den krystallinske tilstand ekstremt langsom eller umulig, da bevægelseshastigheden af ​​atomer og molekyler i kroppen også falder med billioner af gange.

Der er blevet foreslået adskillige ligninger, der beskriver afhængigheden af ​​viskositeten af ​​underkølede væsker af temperaturen.

Arrhenius' lov beskriver godt viskositeten af ​​almindelige væsker ved høj temperatur:

Viskositeten af ​​nogle underafkølede væsker er beskrevet af en anden ligning, opnået empirisk - Vogel-Tammann-Fulcher-loven :

I temperaturområdet nær glasovergangstemperaturen stiger viskositeten af ​​en underafkølet væske kraftigt.

For nogle stoffer er årsagerne til overgangen fra Arrhenius-loven til Vogel-Tammann-Fulcher-loven ikke fuldt ud forstået.

Glas, hvis viskositet varierer i henhold til Arrhenius-loven, kaldes stærkt. Glas, hvis viskositet stiger i henhold til Vogel-Fulcher-Tammann-loven, kaldes skørt. I Angell - diagrammet bevæger tilstanden af ​​stærkt glas sig opad langs en lige linje, når det afkøles, mens tilstanden for skrøbeligt glas bevæger sig langs en konveks bane. Graden af ​​konveksitet af denne bane kaldes glasskørhed . I nogle tilfælde er afkølingsbanen på Angell-diagrammet endnu mere kompleks [12] . Her har udtrykkene "skørhed" og "styrke" intet at gøre med brillernes mekaniske egenskaber.

De mest klassiske eksempler på glas er oxider af halvmetaller som silicium og germanium . Sådanne briller er holdbare. Et eksempel på skørt glas ville være hård toluen ved lave temperaturer.

Briller er meget almindelige og minder mest i egenskaber om faste stoffer. Der er en almindelig misforståelse, at glas i vinduer gradvist "flyder" ned, hvorfor de nederste dele af glasset i gamle farvede glasvinduer er tykkere end de øverste. Faktisk skyldes forskellen i tykkelse de teknologiske processer, der blev brugt i middelalderen. Viskositeten af ​​almindeligt glas ved stuetemperatur er i størrelsesordenen ~10 18 P. Eksperimenter har vist, at vinduesglas på 6 år kun er deformeret med 1 nanometer [13] . Det ville tage mere end en million år at ændre glastykkelsen med 10 % .

Polymerer

Polymerer er opbygget af lange molekyler. I tilfælde af at de ikke er foldet til kugler , men eksisterer i en fri tilstand, er de normalt stærkt og kaotisk sammenflettet, og på grund af deres enorme størrelse er det meget vanskeligt at optrevle dem for at integrere dem i krystalgitteret . På den anden side, på grund af den store størrelse af molekylerne, har polymere amorfe legemer nogle usædvanlige egenskaber.

Polymerer kan eksistere i en særlig højelastisk tilstand . Temperaturområdet for denne tilstand ligger mellem fast glaslegeme og smeltning. Dens ejendommelighed er, at Kuhn-segmenterne af hvert molekyle kan rotere ret hurtigt (rotationstiden er mindre end 1 sekund), på grund af hvilken kæderne af polymermolekyler kan glide relativt frit langs hinanden, selvom de ikke kan bryde af. På makroniveau fører dette til ekstrem høj elasticitet af sådanne kroppe - de kan strækkes dusinvis af gange med små påførte kræfter. Legemer, der er i en meget elastisk tilstand ved stuetemperatur, kaldes gummier [14] .

I et amorft polymerlegeme kan der være separate zoner, hvor kæder af molekyler danner et krystalgitter. I sådanne nanokrystaller er hele molekyler ikke nødvendigvis involveret. Hvis der er nok sådanne krystallinske områder, bliver hele materialets volumen fast, på trods af at en betydelig del af det stadig er i amorf tilstand [14] .

Geler

En gel er et dispergeret system , hvor den dispergerede fase danner et uregelmæssigt gitter, der holder hele systemet i en stabil tilstand, bevarer sin form og giver elasticitet. Dispersionsmediet forbliver derfor flydende. Geler kaldes mange husholdnings amorfe kroppe, primært mad ( oste , gelé , mayonnaise ) og kosmetik ( tandpasta , barberskum) [15] .

Zoneteori om amorfe legemer

Amorfe legemer har flere egenskaber, der adskiller dem fra krystallinske legemer. For det første, i modsætning til krystaller, hvor valens- og ledningsbåndene har klare grænser, i amorfe legemer ændres tætheden af ​​tilstande jævnt, så vi kan kun tale om zoner med lav tæthed og zoner med høj tæthed. Også i amorfe legemer er der ingen Fermi-overflade og Brillouin-zone [16] .

Den anden forskel er, at i et amorft legeme er tilstanden af ​​en betydelig del af elektronerne lokaliseret i rummet, mens de i krystaller er fordelt over hele krystallens rum [16] . I en delokaliseret stat

det vil sige, at hvis du venter længe nok, så vil elektronens bølgefunktion jævnt fylde hele krystallens rum.

For lokaliserede elektroner beskrives sandsynligheden for at finde en elektron i en afstand R fra startpunktet efter tilstrækkelig lang tid som:

hvor L er lokaliseringslængden. En sådan tilstand kaldes Anderson-lokalisering [17] .

Med en stigning i elektronernes energi øges deres lokaliseringslængde, og når de når et vist niveau, kaldet mobilitetstærsklen , går elektronerne over i en delokaliseret tilstand.

For amorfe legemer, hvis Fermi-niveau er under mobilitetstærsklen ved en temperatur på 0 K, er ladningsbærernes mobilitet nul, og ved ikke-nul temperatur er de karakteriseret ved hoppende ledning : elektroner kan hoppe fra en lokaliseret tilstand til en anden med en vis sandsynlighed. Intensiteten af ​​sådanne overgange afhænger stærkt af temperaturen.

Med hensyn til båndteorien kan vi sige, at i amorfe legemer er båndgabet fyldt med diskrete niveauer, selvom tætheden af ​​tilstande i det er lav, og i modsætning til krystallinske legemer kan elektroner ikke frit bevæge sig fra et niveau til et andet, men er yderligere begrænset af lokalisering - mulige kun overgange mellem niveauer er fysisk placeret ved siden af ​​hinanden. Dette specifikke område kaldes mobilitetskløften [18] .

Hvis Fermi-niveauet ligger over mobilitetstærsklen, vil det amorfe legeme blive en leder.

Amorfe metaller

Amorfe metaller er i almindelighed tæt på briller i egenskaber og omtales ofte som dem. Et kendetegn ved metaller er, at for at opnå dem ved underafkøling af smelten, kræves der meget høje afkølingshastigheder, op til 10 12 K/s [10] . Til dette bruges specielle metoder, såsom vakuumaflejring , indføring af gitterdefekter i krystallen, hærdning på skiven [19] .

At bringe legeringer i en amorf tilstand er generelt nemmere end rene metaller - dette kræver en afkølingshastighed fra hundreder til titusindvis af kelvin pr. sekund [20] .

Områder af den amorfe fase dannes i nogle legeringer på grund af kraftige forskydningsdeformationer [21] .

Amorfe metaller er ledere, men deres modstand er normalt højere end i lignende metaller i krystallinsk tilstand [22] .

I modsætning til almindelige glas, der blødgøres før opvarmning, krystalliserer amorfe metaller før opvarmning ved en temperatur på 0,4-0,6 fra smeltepunktet [23] .

Amorfe halvledere

Halvledere kan også være i en amorf tilstand. Sådanne systemer opnås ved at afkøle smelten (halvledere baseret på selen , tellur , metalsulfider) og vakuumaflejring (amorft silicium og germanium ).

For amorfe halvledere virker den sædvanlige mekanisme for urenhedsledning næsten ikke, fordi på grund af den kaotiske struktur danner urenhedsatomer let det nødvendige antal bindinger svarende til deres valens og genererer ikke "ekstra" elektroner eller huller. Dog skaber doping med overgangsmetaller såsom wolfram , jern og molybdæn sådanne elektroner, sandsynligvis fordi elektronerne i d-orbitaler af atomer af sådanne grundstoffer ikke deltager i kovalente bindinger [24] .

I amorfe ledere observeres ofte en koblingseffekt , hvor ledningsevnen stiger kraftigt i et eksternt elektrisk felt (ved en elektrisk feltstyrke på mere end 10 7 V/m [24] .

Amorfe dielektriske stoffer

I nogle amorfe legemer (især transparente legemer) eksisterer båndgabet stadig, det vil sige, at der er et energiområde, hvor tætheden af ​​tilstande er identisk lig med nul [25] . Sådanne organer leder praktisk talt ikke strøm. Amorfe dielektrika har som regel en lavere tæthed end krystallinske, så deres dielektriske konstant er også forholdsvis lavere [26] .

Noter

1. ↑ amorf tilstand Arkiveret 11. april 2021 på Wayback Machine  (russisk)
2. ↑ Atomic Scale Structure of Materials Arkiveret 14. april 2021 på Wayback Machine 
3. ↑ af glas 
4. ↑ Glasovergang, krystallisation af glasdannende smelter og entropi . Hentet 2. maj 2021. Arkiveret fra originalen 18. september 2020. (ubestemt)
5. ↑ Amorfe og nanokrystallinske strukturer: ligheder, forskelle, gensidige overgange Arkiveret 21. januar 2022 på Wayback Machine  (russisk)
6. ↑ Termisk ledningsevne af amorfe materialer arkiveret 10. august 2021 på Wayback Machine 
7. ↑ Amorft solidt arkiveret 21. april 2021 på Wayback Machine 
8. ↑ 1 2 Mekaniske karakteristika af amorfe metaller Arkiveret 10. august 2021 på Wayback Machine 
9. ↑ Amorfe metaller arkiveret 11. april 2021 på Wayback Machine  (russisk)
10. ↑ 1 2 Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , s. 61.
11. ↑ Arrhenius-type temperaturafhængighed af segmentel afslapning under T g Arkiveret 8. november 2020 på Wayback Machine 
12. ↑ Fragile til stærke overgange i glasdannende væsker Arkiveret 29. november 2020 på Wayback Machine 
13. ↑ Afslapningstid og viskositet af smeltet silicaglas ved stuetemperatur Arkiveret 8. marts 2021 på Wayback Machine 
14. ↑ 1 2 Glas, gummi og smeltefase Arkiveret 10. april 2021 på Wayback Machine 
15. ↑ Svage og stærke geler og fremkomsten af ​​den amorfe faste tilstand
16. ↑ 1 2 Pavlov, Khokhlov, 2000 , s. 459.
17. ↑ Anderson lokalisering Arkiveret 11. april 2021 på Wayback Machine  (russisk)
18. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , s. 462.
19. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , s. tredive.
20. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , s. 60.
21. ↑ Ekstreme belastninger forårsager amorfe faser i højentropi-legering Arkiveret 3. februar 2021 på Wayback Machine  (russisk)
22. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , s. 197.
23. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , s. 477.
24. ↑ 1 2 amorfe og glasagtige halvledere Arkiveret 12. april 2021 på Wayback Machine 
25. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , s. 461.
26. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , s. 476.

Litteratur

• Skryshevsky AF Strukturel analyse af væsker og amorfe legemer. - 2. udg., revideret. og yderligere .. - M . : Højere skole, 1980. - S. 302-324. — 328 s.
• Shults M. M. , Mazurin O. V. Moderne forståelse af strukturen af ​​briller og deres egenskaber. - L . : Nauka, 1988. - 200 s. — ISBN 5-02-024564-X .
• JEG. M. Kucheruk, I. T. Gorbachuk, P.P. Lutsik. Zagalniy fysikkursus: En guide til 3 bind. - Kiev: Tekhnika, 2006.
• Suzuki K., Fujimori H., Hashimoto K. Amorfe metaller. - M . : "Metallurgi", 1987. - 328 s.
• Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Faststoffysik. - M . : "Højskole", 2000. - 494 s. — ISBN 5-06-003770-3 .

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	NDL : 00567945 NKC : ph118405