Amorf testek

Amorf anyagok (testek) ( más görög szóból ἀ "nem-" + μορφή "típus, forma") - olyan anyagok sűrített állapota, amelyek atomi szerkezete rövid hatótávolságú és nincs nagy hatótávolságú , jellemző a kristályosra . szerkezetek . A kristályokkal ellentétben a stabilan amorf anyagok nem szilárdulnak meg kristályos felületek képződésével, és (ha nem voltak erős anizotróp hatás alatt - például deformáció vagy elektromos tér ) tulajdonságaik izotrópiájával rendelkeznek, azaz nem mutatnak különbségeket a tulajdonságokban. különböző irányokba.

Az amorf anyagoknak nincs meghatározott olvadáspontja : a hőmérséklet emelkedésével a stabilan amorf anyagok fokozatosan meglágyulnak, és az üvegesedési hőmérséklet ( ) felett folyékony állapotba kerülnek . Azok az anyagok, amelyek rendszerint (poli) kristályos szerkezetűek , de megszilárdulva erősen túlhűtöttek, amorf állapotban megszilárdulhatnak , amely későbbi melegítés hatására vagy idővel kristályossá válik (szilárd állapotban, kevés hőleadással).

Számos anyag amorf állapotát a folyékony olvadék nagymértékű megszilárdulása (lehűtése) esetén kapja meg, vagy amikor gőzök kondenzálódnak egy felületen , amely észrevehetően az olvadási hőmérséklet alá hűlt . A valós hűtési sebesség ( ) és a jellemző kristályosodási sebesség aránya határozza meg a polikristályok arányát az amorf térfogatban. A kristályosodási sebesség az anyag olyan paramétere, amely gyengén függ az olvadásponthoz közeli nyomástól és hőmérséklettől, és erősen függ az összetétel összetettségétől.

Fémekben és ötvözetekben az amorf állapot általában akkor jön létre, ha az olvadékot több száz és ezer év alatt lehűtik. ; poharaknál sokkal alacsonyabb hűtési sebesség is elegendő - több tíz milliszekundum töredékei .

A kvarc ( ) kristályosodási sebessége is alacsony, ezért a kvarcolvadékból öntött termékek amorf szerkezetűek. A természetes kvarc, amelynek a földkéreg vagy a vulkánok közelében lévő mélyrétegek lehűlése során több száz és ezer év alatt kristályosodott ki, durva szemcsés szerkezetű, ellentétben a vulkáni üveggel, amely a felszínen megfagyott, ezért amorf.

A hagyományos polimerek ( műanyagok ) közül csak a polietilénnek van észrevehető kristályosodási sebessége szobahőmérsékleten - körülbelül két év a lágy ( LDPE ) és több év (akár kristályosodást késleltető adalékokkal is) kemény ( HDPE ) esetében - már körülbelül a fele kristályosodott ki. Ez az egyik oka annak, hogy a polietilén termékek idővel – különösen magas hőmérsékleten – rideggé válnak.

Az üvegek (mesterséges és vulkáni ), természetes és műgyanták , ragasztók , paraffin , viasz stb. a stabil amorf anyagok közé tartoznak . Az amorf anyagok lehetnek üveges (alacsony hőmérsékleten) vagy olvadt (magas hőmérsékleten) állapotúak. . Az amorf anyagok jóval az üvegesedési hőmérséklet alatti hőmérsékleten mennek üveges állapotba . Sokkal magasabb hőmérsékleten az amorf anyagok olvadékként viselkednek, azaz olvadt állapotban vannak. Az amorf anyagok viszkozitása a hőmérséklet folytonos függvénye: minél magasabb a hőmérséklet, annál kisebb az amorf anyag viszkozitása.

Szerkezet

Tanulmányok kimutatták, hogy a folyadékok és az amorf testek szerkezetében sok közös vonás van.

Amorf és folyékony testekben a részecskék (atomok vagy molekulák) csomagolódásában kis hatótávolságú rend figyelhető meg .

Vannak közbenső félamorf (félig kristályos) állapotok is.

Atomszerkezet

Az amorf anyagok tulajdonságai a folyadékok és a kristályos szilárd anyagok között köztesek.

A folyadékokhoz hasonlóan az amorf állapotú anyagokat is a rövid hatótávolságú rend jellemzi : a molekulák egymáshoz viszonyított elrendezésében geometriai ( koordinációs szám ) és kémiai (egyfajta atomok más típusú atomok mellett helyezkednek el) mintázatok. ), de ezek a minták csak kis távolságokra maradnak meg. A legtöbb amorf anyag esetében ez a távolság 0,5-5 nanométer [1] .

A szilárd anyagokhoz hasonlóan az amorf testek egyes atomjai és molekulái rendkívül alacsony mobilitásúak. Ennek köszönhetően az amorf anyagok megtartják alakjukat és méretüket.

Így az amorf állapot egyrészt polikristályként fogható fel , melynek szemcsemérete mindössze néhány atom [2] , másrészt pedig igen magas , 10 13 P viszkozitású folyadékként, ill . magasabb [3] ). Az amorf testek folyadékkal való összehasonlítása nem pontos, mivel az amorf testek viselkedését leíró egyenletek (például térfogatuk hőmérséklettől való függése vagy deformációra adott válasza) alapvetően eltérnek a viszkózus folyadékok hasonló egyenleteitől. Az amorf testek erősen kifejezett nem-newtoni tulajdonságokat szereznek , amelyekkel a folyadék nem rendelkezett a lehűlés előtt.

Ugyanazok az anyagok kristályos és amorf formában is megszilárdulhatnak, a hűtési módtól függően.

Az amorf testekben lévő atomok és molekulák nincsenek potenciális energiaminimális pozícióban , ezért az amorf állapot metastabil és hajlamos idővel kikristályosodni, azonban a kristályosodási folyamat szobahőmérsékleten évekig, évszázadokig vagy akár évezredekig is eltarthat. A kristályos formába való átállás nem minden amorf testnél szükséges lépés: a legrégebbi talált borostyán 320 000 000 éves és amorf marad. Az obszidián (természetes üveg) ritkán létezik néhány millió évnél tovább, de ezalatt nem hajlamos kikristályosodni [4] .

Egyes hűtési módok vegyes állapotú testeket hoznak létre, amelyekben néhány nanométeres kristályokat az amorf fázis köztes rétegei választanak el [5] .

A kaotikus szerkezet a kvázi részecskék, például rezgések gyors szóródásához vezet , aminek következtében az amorf testek hővezető képessége általában alacsonyabb, mint a kristályoké [6] .

Mechanikai tulajdonságok

A nagy hatótávolságú rend hiánya miatt az amorf test törése gyakran véletlenszerűen elrendezett lekerekített formákból áll, míg a kristály törése hasadási síkokat követ .

A folyadékokkal ellentétben az amorf testek ellenállnak a nyírási alakváltozásoknak [7] .

Az amorf fémek szakítószilárdsága lényegesen nagyobb [8] – relatív nyúlásuk  több százalékot is elérhet a tönkremenetel előtt.

Az amorf testek Young-modulusa nagymértékben függ a hőmérséklettől, valamint attól, hogy a test milyen lassan nyúlik – minél lassabban növekszik az erő, annál alacsonyabb a rugalmassági modulus [8] . Kellően lassú alakváltozások esetén sok amorf test folyékonynak tekinthető .

Az amorf fémek szilárdsága és korrózióállósága is nagyobb, mint a kristályosoké, valószínűleg a rácshibák hiánya miatt [9] .

Osztályozás

Az amorf anyagoknak több nagy csoportja különböztethető meg: üvegek, műanyagok, gélek. Ezeknek a csoportoknak a határai nincsenek egyértelműen meghatározva, például létezik szerves üveg , amely szintén műanyag. Az amorf anyagokat gyakran az előállítás módja szerint osztályozzák. Ebben az esetben az amorf testeket "üvegnek" nevezik, ezeket az olvadék hűtésével nyerik. Néha az "üveg" kifejezést az "amorf állapotú test" szinonimájaként használják.

Üveg

Túlhűtött folyadékból üveges amorf testek keletkeznek . Lehűléskor a folyadék viszkozitása megnő. Az üvegesedési hőmérséklet az a hőmérséklet, amelyen a viszkozitás eléri a 10 13 P -t ( kvadrilliószor nagyobb, mint a víz viszkozitása). Az empirikus szabályok szerint az üvegesedési hőmérséklet megközelítőleg az olvadási hőmérséklet 2/3-a [10] . Ha a folyadékot erre a hőmérsékletre túlhűtjük anélkül, hogy a kristályosodás megindulhatna, akkor a kristályos állapotba való átmenet rendkívül lassúvá vagy lehetetlenné válik, mivel a testben az atomok és molekulák mozgási sebessége is billiószorosára csökken.

Számos egyenletet javasoltak, amelyek leírják a túlhűtött folyadékok viszkozitásának hőmérséklettől való függését.

Arrhenius törvénye jól leírja a közönséges folyadékok viszkozitását magas hőmérsékleten:

Egyes túlhűtött folyadékok viszkozitását egy másik, empirikusan kapott egyenlet írja le - a Vogel-Tammann-Fulcher törvény :

Az üvegesedési hőmérséklethez közeli hőmérséklet-tartományban a túlhűtött folyadék viszkozitása meredeken megnő.

Egyes anyagok esetében az Arrhenius-törvényről a Vogel-Tammann-Fulcher-törvényre való áttérés okai nem teljesen ismertek.

Az üveget, amelynek viszkozitása az Arrhenius-törvény szerint változik, erősnek nevezzük . Azokat az üvegeket, amelyek viszkozitása a Vogel-Fulcher-Tammann törvény szerint növekszik, ridegnek nevezzük . Az Angell - diagramban az erős üveg állapota lehűléskor egyenes vonal mentén, míg a törékeny üvegé konvex pálya mentén mozog felfelé. Ennek a pályának a konvexitási fokát üvegtörékenységnek nevezzük . Egyes esetekben az Angell-diagram hűtési pályája még bonyolultabb [12] . Itt a „törékenység” és „szilárdság” kifejezéseknek semmi közük az üvegek mechanikai tulajdonságaihoz.

Az üvegek legklasszikusabb példái a félfémek oxidjai , például a szilícium és a germánium . Az ilyen szemüvegek tartósak. A rideg üvegre példa a kemény toluol alacsony hőmérsékleten.

Az üvegek nagyon gyakoriak, és tulajdonságaikban leginkább a szilárd anyagokhoz hasonlítanak. Elterjedt tévhit, hogy az ablakokban az üvegek fokozatosan „lefolynak”, ezért az ősi ólomüveg ablakok alsó részei vastagabbak, mint a felsők. Valójában a vastagságkülönbség a középkorban alkalmazott technológiai eljárásoknak köszönhető. A közönséges üveg viszkozitása szobahőmérsékleten ~10 18 P nagyságrendű. Kísérletek kimutatták, hogy 6 év alatt az ablaküveg mindössze 1 nanométerrel deformálódik [13] . Több mint egymillió évbe telne az üvegvastagság 10%-os megváltoztatása.

Polimerek

A polimerek hosszú molekulákból állnak. Abban az esetben, ha nincsenek gömbökké hajtogatva , hanem szabad állapotban léteznek, akkor általában erősen és kaotikusan összefonódnak, és hatalmas méretük miatt nagyon nehéz kibontani őket, hogy beépüljenek a kristályrácsba. . Másrészt a molekulák nagy mérete miatt a polimer amorf testek szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek.

A polimerek különleges, rendkívül rugalmas állapotban létezhetnek . Ennek az állapotnak a hőmérsékleti tartománya a szilárd üvegtest és az olvadás között van. Különlegessége, hogy az egyes molekulák Kuhn-szegmensei meglehetősen gyorsan tudnak forogni (a forgási idő kevesebb, mint 1 másodperc), aminek köszönhetően a polimer molekulák láncai viszonylag szabadon csúszhatnak egymáson, bár nem szakadhatnak el. Makroszinten ez az ilyen testek rendkívül nagy rugalmasságához vezet - kis erőkkel több tucatszor nyújthatók. Azokat a testeket, amelyek szobahőmérsékleten nagyon rugalmas állapotban vannak, gumiknak nevezzük [14] .

Egy amorf polimer testben lehetnek külön zónák, ahol a molekulák láncai kristályrácsot alkotnak. Az ilyen nanokristályokban nem feltétlenül vesznek részt teljes molekulák. Ha van elegendő ilyen kristályos régió, akkor az anyag teljes térfogata megszilárdul, annak ellenére, hogy jelentős része még amorf állapotban van [14] .

Gélek

A gél egy diszpergált rendszer , amelyben a diszpergált fázis szabálytalan rácsot képez, amely az egész rendszert stabil állapotban tartja, megőrzi alakját és rugalmasságot ad. A diszperziós közeg ezért folyékony marad. A géleket sok háztartási amorf testnek nevezik, elsősorban élelmiszereknek ( sajtok , zselék , majonéz ) és kozmetikumoknak ( fogkrém , borotvahab) [15] .

Amorf testek zónaelmélete

Az amorf testek számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek megkülönböztetik őket a kristályos testektől. Először is, ellentétben a kristályokkal, amelyekben a vegyérték- és a vezetési sávnak egyértelmű határai vannak, az amorf testekben az állapotsűrűség zökkenőmentesen változik, így csak kis sűrűségű és nagy sűrűségű zónákról beszélhetünk. Ezenkívül az amorf testekben nincs Fermi-felület és Brillouin-zóna [16] .

A második különbség az, hogy egy amorf testben az elektronok jelentős részének állapota a térben lokalizálódik, míg a kristályokban a kristály teljes terében eloszlik [16] . Delokalizált állapotban

vagyis ha eleget vársz, akkor az elektron hullámfüggvénye egyenletesen kitölti a kristály teljes terét.

Lokalizált elektronok esetén annak valószínűségi sűrűsége, hogy kellően hosszú idő elteltével a kiindulási ponttól R távolságra találunk egy elektront, a következőképpen írható le:

ahol L a lokalizáció hossza. Az ilyen állapotot Anderson lokalizációnak nevezik [17] .

Az elektronok energiájának növekedésével növekszik a lokalizációs hosszuk, és egy bizonyos szintet, az úgynevezett mobilitási küszöböt elérve az elektronok delokalizált állapotba kerülnek.

Azon amorf testeknél, amelyek Fermi szintje 0 K hőmérsékleten a mobilitási küszöb alatt van, a töltéshordozók mobilitása nulla, nullától eltérő hőmérsékleten pedig ugráló vezetés jellemzi őket : az elektronok egy lokalizált állapotból átugorhatnak egy másik némi valószínűséggel. Az ilyen átmenetek intenzitása erősen függ a hőmérséklettől.

A sávelmélet szempontjából azt mondhatjuk, hogy az amorf testekben a sávközt diszkrét szintekkel töltik ki, bár az abban lévő állapotsűrűség kicsi, és a kristályos testekkel ellentétben az elektronok nem tudnak szabadon mozogni egyik szintről a másikra, hanem a lokalizáció is korlátozza őket – a szintek közötti lehetséges átmenetek fizikailag egymás mellett helyezkednek el. Ezt a speciális területet mobilitási résnek nevezik [18] .

Ha a Fermi-szint a mobilitási küszöb felett van, akkor az amorf test vezetővé válik.

Amorf fémek

Az amorf fémek általában tulajdonságaikban közel állnak az üvegekhez, és gyakran emlegetik őket. A fémek sajátossága, hogy az olvadék túlhűtésével történő előállításukhoz nagyon nagy hűtési sebességre van szükség, akár 10 12 K/s -ig [10] . Ehhez speciális módszereket alkalmaznak, mint például a vákuumleválasztás , rácshibák bevitele a kristályba, keményítés a korongon [19] .

Az ötvözetek amorf állapotba hozása általában egyszerűbb, mint a tiszta fémek – ehhez másodpercenként száztól több tízezer kelvinig terjedő hűtési sebességre van szükség [20] .

Az amorf fázis területei egyes ötvözetekben erős nyírási alakváltozások következtében alakulnak ki [21] .

Az amorf fémek vezetők, de ellenállásuk általában nagyobb, mint a kristályos állapotban lévő hasonló fémeknél [22] .

A hagyományos üvegektől eltérően, amelyek melegítés előtt meglágyulnak, az amorf fémek az olvadásponttól számított 0,4-0,6 °C hőmérsékleten történő melegítés előtt kristályosodnak [23] .

Amorf félvezetők

A félvezetők amorf állapotban is lehetnek. Az ilyen rendszereket az olvadék hűtésével ( szelén- , tellúr- , fém-szulfid-alapú félvezetők) és vákuumleválasztással (amorf szilícium és germánium ) állítják elő.

Az amorf félvezetőknél szinte nem működik a szokásos szennyezővezetési mechanizmus, mert a kaotikus szerkezet miatt a szennyező atomok könnyen kialakítják a vegyértéküknek megfelelő, szükséges számú kötést, és nem generálnak "extra" elektronokat, lyukakat. Átmeneti fémekkel , például volfrámmal , vassal és molibdénnel való adalékolás azonban ilyen elektronokat hoz létre, valószínűleg azért, mert az ilyen elemek atomjainak d-pályáinak elektronjai nem vesznek részt kovalens kötésekben [24] .

Az amorf vezetőknél gyakran megfigyelhető kapcsolási hatás , amelyben a vezetőképesség meredeken megnő külső elektromos térben ( 10 7 V/m -nél nagyobb elektromos térerősségnél [24]) .

Amorf dielektrikum

Egyes amorf testekben (különösen az átlátszó testekben) még mindig létezik a sávköz, vagyis van egy energiatartomány, amelyben az állapotsűrűség azonosan egyenlő nullával [25] . Az ilyen testek gyakorlatilag nem vezetnek áramot. Az amorf dielektrikumok sűrűsége általában kisebb, mint a kristályosoké, így dielektromos állandójuk is viszonylag alacsonyabb [26] .

Jegyzetek

1. ↑ amorf állapot Archiválva : 2021. április 11. a Wayback Machine -nél  (orosz)
2. ↑ Anyagok atomi léptékű szerkezete archiválva 2021. április 14-én a Wayback Machine -nél 
3. ↑ üvegből  _
4. ↑ Üvegátmenet, üvegképző olvadékok kristályosítása és entrópia . Letöltve: 2021. május 2. Az eredetiből archiválva : 2020. szeptember 18. (határozatlan)
5. ↑ Amorf és nanokristályos szerkezetek: hasonlóságok, különbségek, kölcsönös átmenetek Archiválva : 2022. január 21. a Wayback Machine -nél  (orosz)
6. ↑ Amorf anyagok hővezető képessége archiválva : 2021. augusztus 10. a Wayback Machine -nél 
7. ↑ Amorf szilárd anyag archiválva 2021. április 21-én a Wayback Machine -nél 
8. ↑ 1 2 Amorf fémek mechanikai jellemzői archiválva : 2021. augusztus 10. a Wayback Machine -nél 
9. ↑ Amorf fémek archiválva : 2021. április 11. a Wayback Machine -nél  (orosz)
10. ↑ 1 2 Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , p. 61.
11. ↑ A T g alatti szegmentális relaxáció Arrhenius-típusú hőmérsékletfüggése Archivált : 2020. november 8., a Wayback Machine -nél 
12. ↑ Törékeny-erős átmenetek üvegképző folyadékokban Archiválva : 2020. november 29. a Wayback Machine -nél 
13. ↑ Olvasztott szilícium-dioxid üveg relaxációs ideje és viszkozitása szobahőmérsékleten Archiválva : 2021. március 8. a Wayback Machine -nél 
14. ↑ 1 2 Üveg-, gumi- és olvadékfázis Archivált : 2021. április 10. a Wayback Machine -nél 
15. ↑ Gyenge és erős gélek és az amorf szilárd halmazállapot kialakulása
16. ↑ 1 2 Pavlov, Khokhlov, 2000 , p. 459.
17. ↑ Anderson lokalizáció archiválva 2021. április 11-én a Wayback Machine -nél  (orosz)
18. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , p. 462.
19. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , p. harminc.
20. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , p. 60.
21. ↑ Az extrém terhelések amorf fázisokat okoznak a nagy entrópiájú ötvözetben Archiválva : 2021. február 3., a Wayback Machine -nél  (orosz)
22. ↑ Suzuki, Fujimori, Hashimoto, 1987 , p. 197.
23. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , p. 477.
24. ↑ 1 2 amorf és üveges félvezető archiválva : 2021. április 12. a Wayback Machine -nél 
25. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , p. 461.
26. ↑ Pavlov, Khokhlov, 2000 , p. 476.

Irodalom

• Skryshevsky AF Folyadékok és amorf testek szerkezeti elemzése. - 2. kiadás, átdolgozva. és további .. - M . : Felsőiskola, 1980. - S. 302-324. — 328 p.
• Shults M. M. , Mazurin O. V. Az üvegek szerkezetének és tulajdonságainak modern megértése. - L .: Nauka, 1988. - 200 p. — ISBN 5-02-024564-X .
• ÉN. M. Kucheruk, I. T. Gorbachuk, P. P. Lutsik. Zagalniy fizika tanfolyam: Útmutató 3 kötethez - Kijev: Tekhnika, 2006.
• Suzuki K., Fujimori H., Hashimoto K. Amorf fémek. - M . : "Kohászat", 1987. - 328 p.
• Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Szilárdtestfizika. - M . : "Felsőiskola", 2000. - 494 p. — ISBN 5-06-003770-3 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy norvég Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	NDL : 00567945 NKC : ph118405