Аморфні речовини

Діаграма Енжела, що демонструє різницю між міцними і крихкими стеклами

Склоподібні аморфні тіла утворюються з переохолодженої рідини. За охолодження в'язкість рідини збільшується. Температурою склування називають таку температуру, за якої в'язкість досягає 10¹³ П (в квадрильйон разів більше ніж в'язкість води). Згідно з емпіричним правилом, температура склування дорівнює приблизно 2/3 від температури плавлення[10]. Якщо рідину вдалося переохолодити до такої температури, не допустивши початку кристалізації, перехід до кристалічного стану стає надзвичайно повільним або ж неможливим, оскільки швидкість переміщення атомів і молекул у тілі також зменшується у трильйони разів.

Існує кілька рівнянь, що описують зростання в'язкості переохолоджених рідин.

В'язкість звичайних рідин за високої температури добре описується законом Арреніуса:

${\displaystyle \mu =Ae^{B/T}}$,

де ${\displaystyle A}$ і ${\displaystyle B}$ — константи що визначаються конкретною речовиною.

В'язкість деяких переохолоджених рідин описується іншим рівнянням, емпіричним законом Фогеля-Фулчера-Тамманна:

${\displaystyle \mu =Ae^{\frac {B}{T-T_{\infty }}}}$,

де ${\displaystyle T_{\infty }}$ — температура, що зазвичай приблизно на 50 К нижча за температуру склування[11]. Через цю зміну за переохолодження в'язкість рідини різко зростає лише за досягнення температури склування.

Причини переходу для деяких речовин від закону Арреніуса до закону Фогеля-Фулчера-Тамманна не до кінця зрозумілі.

Скло, в'язкість якого змінюється за законом Арреніуса, називають міцним. Скло, в'язкість якого зростає за законом Фогеля-Фулчера-Тамманна називають крихким. На діаграмі Енжела міцне скло за охолодження рухаються вгору вздовж прямої, а крихке — вздовж опуклої траєкторії. Ступінь опуклості цієї траєкторії називається крихкістю скла. У деяких випадках траєкторія охолодження на діаграмі Енжела є ще більш складною[12]. Варто зазначити, що «крихкість» і «міцність» в даному випадку ніяк не стосується механічних властивостей стекол.

Найбільш класичні приклади стекол — оксиди напівметалів, таких як кремній і германій. Такі стекла відносяться до міцних. Прикладом крихкого скла може бути толуен.

Стекла є дуже розповсюдженими і за властивостями максимально подібні до твердих тіл. Існує розповсюджена помилка, що стекла у вікнах поступово «стікають» вниз, через що нижні частини старовинних вітражів є товстішими за верхні. Насправді, різниця в товщині пояснюється технологічними процесами середньовіччя. В'язкість звичайного скла за кімнатної температури становить 10¹⁸ П. Експерименти показали, що за 6 років віконне скло деформується лише на 1 нанометр[13]. Для зміни товщини скла на 10 % знадобилося б більше мільйона років.

Полімери складаються з довгих молекул. У випадку, якщо вони не згорнуті у глобули, а існують у вільному стані, то зазвичай вони сильно і хаотично переплетені і через свої величезні розміри розплутати, їх щоб вбудувати в кристалічну ґратку, дуже важко. З іншого боку, завдяки великим розмірам молекул, полімерні аморфні тіла мають деякі незвичайні властивості.

Полімери можуть існувати у особливому високоеластичному стані. Температурний діапазон цього стану лежить між твердим склоподібним і плавленням. Його особливістю є те, що сегменти Куна кожної молекули можуть доволі швидко обертатися (час обертання є меншим за 1 секунду), завдяки чому ланцюги полімерних молекул можуть порівняно вільно ковзати вздовж один одного, хоч і не можуть відриватися. На макрорівні це призводить до надзвичайно великої еластичності таких тіл — вони можуть розтягуватися у десятки разів при невеликих прикладених силах. Тіла, що знаходяться у високоеластичному стані за кімнатної температури, називаються гумами[14].

У аморфному полімерному тілі можуть існувати окремі зони, де ланцюги молекул складаються у кристалічну ґратку. У таких нанокристалах не обов'язково задіяні цілі молекули. Якщо таких кристалічних регіонів стає достатньо багато, то весь об'єм матеріалу стає твердим, не зважаючи на те, що значна його частина все ще знаходиться в аморфному стані[14].

Гелем називають дисперсну систему, у якій дисперсна фаза утворює нерегулярну ґратку, що утримує всю систему у стабільному стані, підтримуючи її форму і надаючи пружності. Дисперсійне середовище за цього лишається рідким. Гелями є багато побутових аморфних тіл, в першу чергу їжа (сири, желе, майонез) і косметика (зубна паста, піна для гоління)[15].

Аморфні метали, загалом, схожі за властивостями до стекол, і часто відносяться до них. Особливістю металів є те, що для отримання їх переохолодженням розплаву необхідні надзвичайно великі швидкості охолодження, до 10¹² К/с[10]. Для цього використовують спеціальні методи, такі як вакуумне напилення, введення дефектів ґратки у кристал, гартування на диску[19].

Привести в аморфний стан сплави, загалом, простіше ніж чисті метали - для цього потрібна швидкість охолодження від сотень до десятків тисяч кельвінів на секунду[20].

Ділянки аморфної фази утворюються у деяких сплавах за сильних деформацій зсуву[21].

Аморфні метали є провідниками, проте їх опір зазвичай є вищим, ніж у аналогічних металів у кристалічному стані[22].

На відміну від звичайних стекол, які за нагрівання розм'якають, аморфні метали за нагрівання кристалізуються за температури 0,4-0,6 від точки плавлення[23].

Порівняння структури кристалічного, аморфного і аморфного гідрогенізованого кремнію

Напівпровідники також можуть перебувати в аморфному стані. Такі системи отримують як охолодженням розплаву (напівпровідники на основі селену, телуру, сульфідів металів), так і вакуумним напиленням (аморфний кремній і германій).

Для аморфних напівпровідників звичайний механізм домішкової провідності майже не працює, оскільки завдяки хаотичній структурі домішки легко формують кількість зв'язків, що відповідає їх валентності, і не утворюють «зайвих» електронів або дірок. Втім, допування перехідними металами, такими як вольфрам, залізо і молібден створює такі електрони, ймовірно, через те що електрони d-орбіталі не беруть участі у ковалентних зв'язках[24].

У аморфних провідниках часто спостерігається ефект перемикання, за якого провідність різко зростає у зовнішньому електричному полі (за різниці потенйціалів понад 10⁷ В/м[24].

У деяких аморфних тіл (особливо це стосується прозорих тіл) заборонена зона все ж існує, тобто, є діапазон енергій, густина станів у якому тотожно дорівнює нулю[25]. Такі тіла практично не проводять струм. Аморфні діелектрики мають, зазвичай, меншу густину ніж кристалічні, тому їх діелектрична проникність також є порівняно нижчою[26].