Понятие и структура аморфных тел

Аморфные вещества (тела) — конденсированное состояние вещества, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур (рис. 9.1).

 

 

Рисунок 9.1. Расположение атомов в кристалле (слева) и аморфном веществе (справа)

 

К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах).

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава, или при конденсации паров на охлаждённую заметно ниже температуры плавления поверхность-подложку. Соотношение реальной скорости охлаждения (dT/dt) и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме.

Скорость кристаллизации — параметр вещества, слабо зависящий от давления и от температуры (около точки плавления — сильно), и сильно зависящий от сложности состава. У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд; для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения — сотни и тысячи лет.

Кварц (SiO₂) также имеет низкую скорость кристаллизации, поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.

Исследования показали, что структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего. В аморфных и жидких телах наблюдается ближний порядок в упаковке частиц (атомов или молекул). По этой причине принято считать аморфные тела очень густыми, вязкими (застывшими) жидкостями.

Также бывают промежуточные полуаморфные (полукристаллические) состояния.

Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO₂ может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис.9.2,а). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис.9.2,б).

 

 

а) б)

Рисунок 9.2

 

Из обычных полимеров (пластмасс) только (самый простейший) полиэтилен имеет заметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — порядка двух лет для мягкого (ПНД) и нескольких лет (даже с добавками-замедлителями) для твёрдого (ПВД) — уже примерно наполовину кристаллизованного видов. Это одна из причин недолговечности изделий из полиэтилена.