Стеклообразное состояние
Стеклообразное состояние — твёрдое аморфное метастабильное состояние вещества, в котором нет выраженной кристаллической решётки, условные элементы кристаллизации наблюдаются лишь в очень малых кластерах (в так называемом «среднем порядке»). Обычно это смеси (переохлаждённый ассоциированный раствор), в которых создание кристаллической твёрдой фазы затруднено по кинетическим причинам.
Стеклом можно называть любой материал в аморфном твёрдом состоянии, но в общепринятой научной и практической лексике стёкла отличают от твёрдых полимеров, которые также пребывают в аморфном состоянии ввиду огромной длины своих молекул.
Этимология
Термин стеклообразное состояние обязан своим происхождением стеклу — широко применяемому неорганическому материалу, который, как правило, находится в аморфном метастабильном состоянии. Однако, в настоящее время существуют и другие прозрачные материалы, например, оптические, а также — кристаллические и органические стёкла; и если оптическое физико-химически можно в полном смысле именовать стеклом — последние в таком понимании к стёклам не относятся.
Физические свойства
В природе имеются некоторые жидкости, которые в обычных условиях эксперимента невозможно перевести при охлаждении в кристаллическое состояние. Молекулы отдельных органических полимеров столь сложны, что образовать регулярную и компактную решётку не могут — при охлаждении всегда переходят только в стеклообразное состояние. Редкий вариант «некристаллизуемости» жидкости — переход в стеклообразное состояние при температурах, близких к температуре ликвидуса TL или даже более высоких. Подавляющее большинство жидкостей при температурах ниже TL при больших или меньших изотермических выдержках, но в разумной с точки зрения эксперимента длительности, всегда переходят в кристаллическое состояние. Для жидкостей определённых химических соединений подразумевается не TL, а температура плавления кристаллов, но для упрощения — точки отсутствия (солидус) и начала кристаллизации здесь обозначены TL вне зависимости от однородности вещества. Возможность перехода из жидкого в стеклообразное состояние обусловлена скоростью охлаждения в той области температур, где наиболее высока вероятность кристаллизации — между TL и нижней границей интервала стеклования. Чем быстрее охлаждается вещество от состояния стабильной жидкости, тем вероятней то, что оно, минуя кристаллическую фазу, перейдёт в стеклообразное. Любое вещество, способное перейти в стеклообразное состояние, может характеризоваться так называемой критической скоростью охлаждения — минимальной допустимой, при которой оно после охлаждения обратимо для перехода в стеклообразное состояние.
Уникальное строение стекла, которое не является ни твёрдым телом, ни очень вязкой жидкостью, формируется в результате того, что атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные» позиции в кристалле, — по имеющей место одной из множества гипотез — запирая друг друга в 20-гранные группировки.
Получение
В состояние стекла материал можно перевести путём быстрого охлаждения расплава. При этом вещество не успевает кристаллизоваться. Вещество, как правило, не должно быть чистым, то есть оно должно содержать примеси в виде раствора, препятствующие кристаллизации. В то же время известны некоторые соединения (например, оксид кремния, оксид бора, оксид фосфора), которые при комнатной температуре способны очень долго пребывать в стеклообразном состоянии. Все эти вещества имеют высокую температуру плавления, что указывает на высокую энергию активации, требуемую для быстрого перехода молекулы из одного равновесного состояния в соседнее. Чистые вещества с одноатомными молекулами не могут долго находиться в стеклообразном состоянии, даже если они имеют высокую температуру плавления (углерод, вольфрам).
Термодинамические характеристики стеклообразного состояния
Образование первичного звена («центра») кристаллизации в расплаве приводит к появлению поверхности раздела кристаллической и жидкой фаз, что влечёт рост свободной энергии системы, которая при температурах ниже температуры ликвидуса, то есть отвечающих жидкому состоянию, термодинамически менее устойчивому, чем кристаллическое, иначе — метастабильному, — энергии, меньшей, чем свободная энергия жидкости той же массы. При уменьшении размеров тела отношение его поверхности к объёму увеличивается — меньший радиус центра кристаллизации отвечает росту свободной энергии, связанной с появлением раздела фаз. Для любой жидкости в метастабильном состоянии при каждой заданной температуре характерен критический радиус центра кристаллизации, менее которого свободная энергия некоторого объёма вещества, включающего этот центр, выше свободной энергии объёма вещества той же массы, но без центра. При радиусе, равном критическому, эти энергии равны, а при радиусе, превышающем критический, дальнейший рост термодинамически закономерен. Противоречия термодинамике, справедливой для макрообъектов, снимает наличие следующего явления: постоянные флуктуации энергии в микрообъектах (относительно небольших по числу атомов), сказываются их внутренними энергетическими колебаниями некоторой средней величины. При снижении температуры число «докритических» центров увеличивается, что сопровождается ростом их среднего радиуса. Помимо термодинамического — на скорость образования центров влияет кинетический фактор: свобода перемещения частиц относительно друг друга обуславливает скорость образования и рост кристаллов.
В природе
В природе стекла существуют в составе вулканических пород, которые быстро охладились из жидкой магмы при соприкосновении с холодным воздухом или водой. Иногда встречаются стёкла в составе метеоритов, расплавившихся при движении в атмосфере.
Когда была установлена идентичность строения, состава и свойств обычного силикатного стекла многим минералам, последние стали квалифицироваться как разновидности его природного аналога, именуясь в соответствии с условиями формирования: некристаллизовавшиеся производные быстро остывшей лавы — вулканическим стеклом (пемза, обсидианы, , базальты и др.), а образовавшиеся из земной горной породы в результате удара космического тела — метеоритным (молдавит).
Примечания
- Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука. 1988 ISBN 5-02-024564-X
- Подробнее — DiMarzio E. A. Equilibrium theory of glasses // Ann. New York Acad. Sci. 1981. Vol. 371. P. 1—20
- Газета. Ру: Твердеть стеклу мешают многогранники. // Газета.ru. Наука. 23.06.08 — Следует отметить ряд неточностй, допущенных в статье: например, янтарь нельзя называть стеклом — это органическое вещество, природный полимер, хоть и аморфной структуры; а стекло, опять же, классифицируемо именно как твёрдое тело, и т. д. Дата обращения: 9 апреля 2010. Архивировано 7 октября 2008 года.
Литература
- Строение стекла. Труды по строению стекла. Ленинград, 23—27 ноября 1953 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1955
- Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960
- Стеклообразное состояние. Том III. Выпуск 2. Механические свойства и строение стекла (Труды симпозиума, Ленинград, 10—12 апреля 1962) — Журнал оптико-механической промышленности, ,№№ 8—10. 1962
- Стеклообразное состояние. Том III. Выпуск 1. Катализированная кристаллизация стекла (Труды симпозиума, Ленинград, 14—16 апреля 1962) — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1963
- Стеклообразное состояние. Труды Четвёртого Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—21 марта 1964 — Л.: Наука. 1965
- Стеклообразное состояние. Том V, выпуск I. Физика и химия стекла (Труды Второго Всесоюзного симпозиума по электрическим свойствам и строению стекла, Ереван, октябрь 1967) — Ереван: Издательство АН Армянской ССР. 1970
- Стеклообразное состояние. Труды Пятого Всесоюзного совещания. Ленинград, 26—30 ноября 1969 — Л.: Наука. 1971
- Стеклообразное состояние. Электрические свойства и строение стекла (Труды III Всесоюзного симпозиума, 16—18 мая 1972, Ереван) — Ереван: Издательство АН Армянской ССР. 1976
- Стеклообразное состояние. Труды Седьмого Всесоюзного совещания. Ленинград, 13—15 октября 1981 — Л.: Наука. 1983
- Стеклообразное состояние. Труды VIII Всесоюзного совещания. Ленинград, 28—31 октября 1986 — Л.: Наука. 1988
См. также
- Нерешённые проблемы современной физики
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Стеклообразное состояние, Что такое Стеклообразное состояние? Что означает Стеклообразное состояние?
Stekloobraznoe sostoyanie tvyordoe amorfnoe metastabilnoe sostoyanie veshestva v kotorom net vyrazhennoj kristallicheskoj reshyotki uslovnye elementy kristallizacii nablyudayutsya lish v ochen malyh klasterah v tak nazyvaemom srednem poryadke Obychno eto smesi pereohlazhdyonnyj associirovannyj rastvor v kotoryh sozdanie kristallicheskoj tvyordoj fazy zatrudneno po kineticheskim prichinam Steklom mozhno nazyvat lyuboj material v amorfnom tvyordom sostoyanii no v obsheprinyatoj nauchnoj i prakticheskoj leksike styokla otlichayut ot tvyordyh polimerov kotorye takzhe prebyvayut v amorfnom sostoyanii vvidu ogromnoj dliny svoih molekul EtimologiyaTermin stekloobraznoe sostoyanie obyazan svoim proishozhdeniem steklu shiroko primenyaemomu neorganicheskomu materialu kotoryj kak pravilo nahoditsya v amorfnom metastabilnom sostoyanii Odnako v nastoyashee vremya sushestvuyut i drugie prozrachnye materialy naprimer opticheskie a takzhe kristallicheskie i organicheskie styokla i esli opticheskoe fiziko himicheski mozhno v polnom smysle imenovat steklom poslednie v takom ponimanii k styoklam ne otnosyatsya Fizicheskie svojstvaV prirode imeyutsya nekotorye zhidkosti kotorye v obychnyh usloviyah eksperimenta nevozmozhno perevesti pri ohlazhdenii v kristallicheskoe sostoyanie Molekuly otdelnyh organicheskih polimerov stol slozhny chto obrazovat regulyarnuyu i kompaktnuyu reshyotku ne mogut pri ohlazhdenii vsegda perehodyat tolko v stekloobraznoe sostoyanie Redkij variant nekristallizuemosti zhidkosti perehod v stekloobraznoe sostoyanie pri temperaturah blizkih k temperature likvidusa TL ili dazhe bolee vysokih Podavlyayushee bolshinstvo zhidkostej pri temperaturah nizhe TL pri bolshih ili menshih izotermicheskih vyderzhkah no v razumnoj s tochki zreniya eksperimenta dlitelnosti vsegda perehodyat v kristallicheskoe sostoyanie Dlya zhidkostej opredelyonnyh himicheskih soedinenij podrazumevaetsya ne TL a temperatura plavleniya kristallov no dlya uprosheniya tochki otsutstviya solidus i nachala kristallizacii zdes oboznacheny TL vne zavisimosti ot odnorodnosti veshestva Vozmozhnost perehoda iz zhidkogo v stekloobraznoe sostoyanie obuslovlena skorostyu ohlazhdeniya v toj oblasti temperatur gde naibolee vysoka veroyatnost kristallizacii mezhdu TL i nizhnej granicej intervala steklovaniya Chem bystree ohlazhdaetsya veshestvo ot sostoyaniya stabilnoj zhidkosti tem veroyatnej to chto ono minuya kristallicheskuyu fazu perejdyot v stekloobraznoe Lyuboe veshestvo sposobnoe perejti v stekloobraznoe sostoyanie mozhet harakterizovatsya tak nazyvaemoj kriticheskoj skorostyu ohlazhdeniya minimalnoj dopustimoj pri kotoroj ono posle ohlazhdeniya obratimo dlya perehoda v stekloobraznoe sostoyanie Unikalnoe stroenie stekla kotoroe ne yavlyaetsya ni tvyordym telom ni ochen vyazkoj zhidkostyu formiruetsya v rezultate togo chto atomy tverdeyushego stekla ne uspevayut zanyat svoi pravilnye pozicii v kristalle po imeyushej mesto odnoj iz mnozhestva gipotez zapiraya drug druga v 20 grannye gruppirovki PoluchenieV sostoyanie stekla material mozhno perevesti putyom bystrogo ohlazhdeniya rasplava Pri etom veshestvo ne uspevaet kristallizovatsya Veshestvo kak pravilo ne dolzhno byt chistym to est ono dolzhno soderzhat primesi v vide rastvora prepyatstvuyushie kristallizacii V to zhe vremya izvestny nekotorye soedineniya naprimer oksid kremniya oksid bora oksid fosfora kotorye pri komnatnoj temperature sposobny ochen dolgo prebyvat v stekloobraznom sostoyanii Vse eti veshestva imeyut vysokuyu temperaturu plavleniya chto ukazyvaet na vysokuyu energiyu aktivacii trebuemuyu dlya bystrogo perehoda molekuly iz odnogo ravnovesnogo sostoyaniya v sosednee Chistye veshestva s odnoatomnymi molekulami ne mogut dolgo nahoditsya v stekloobraznom sostoyanii dazhe esli oni imeyut vysokuyu temperaturu plavleniya uglerod volfram Termodinamicheskie harakteristiki stekloobraznogo sostoyaniya Obrazovanie pervichnogo zvena centra kristallizacii v rasplave privodit k poyavleniyu poverhnosti razdela kristallicheskoj i zhidkoj faz chto vlechyot rost svobodnoj energii sistemy kotoraya pri temperaturah nizhe temperatury likvidusa to est otvechayushih zhidkomu sostoyaniyu termodinamicheski menee ustojchivomu chem kristallicheskoe inache metastabilnomu energii menshej chem svobodnaya energiya zhidkosti toj zhe massy Pri umenshenii razmerov tela otnoshenie ego poverhnosti k obyomu uvelichivaetsya menshij radius centra kristallizacii otvechaet rostu svobodnoj energii svyazannoj s poyavleniem razdela faz Dlya lyuboj zhidkosti v metastabilnom sostoyanii pri kazhdoj zadannoj temperature harakteren kriticheskij radius centra kristallizacii menee kotorogo svobodnaya energiya nekotorogo obyoma veshestva vklyuchayushego etot centr vyshe svobodnoj energii obyoma veshestva toj zhe massy no bez centra Pri radiuse ravnom kriticheskomu eti energii ravny a pri radiuse prevyshayushem kriticheskij dalnejshij rost termodinamicheski zakonomeren Protivorechiya termodinamike spravedlivoj dlya makroobektov snimaet nalichie sleduyushego yavleniya postoyannye fluktuacii energii v mikroobektah otnositelno nebolshih po chislu atomov skazyvayutsya ih vnutrennimi energeticheskimi kolebaniyami nekotoroj srednej velichiny Pri snizhenii temperatury chislo dokriticheskih centrov uvelichivaetsya chto soprovozhdaetsya rostom ih srednego radiusa Pomimo termodinamicheskogo na skorost obrazovaniya centrov vliyaet kineticheskij faktor svoboda peremesheniya chastic otnositelno drug druga obuslavlivaet skorost obrazovaniya i rost kristallov V prirodeV prirode stekla sushestvuyut v sostave vulkanicheskih porod kotorye bystro ohladilis iz zhidkoj magmy pri soprikosnovenii s holodnym vozduhom ili vodoj Inogda vstrechayutsya styokla v sostave meteoritov rasplavivshihsya pri dvizhenii v atmosfere Kogda byla ustanovlena identichnost stroeniya sostava i svojstv obychnogo silikatnogo stekla mnogim mineralam poslednie stali kvalificirovatsya kak raznovidnosti ego prirodnogo analoga imenuyas v sootvetstvii s usloviyami formirovaniya nekristallizovavshiesya proizvodnye bystro ostyvshej lavy vulkanicheskim steklom pemza obsidiany bazalty i dr a obrazovavshiesya iz zemnoj gornoj porody v rezultate udara kosmicheskogo tela meteoritnym moldavit PrimechaniyaShulc M M Mazurin O V Sovremennoe predstavlenie o stroenii styokol i ih svojstvah L Nauka 1988 ISBN 5 02 024564 X Podrobnee DiMarzio E A Equilibrium theory of glasses Ann New York Acad Sci 1981 Vol 371 P 1 20 Gazeta Ru Tverdet steklu meshayut mnogogranniki Gazeta ru Nauka 23 06 08 Sleduet otmetit ryad netochnostj dopushennyh v state naprimer yantar nelzya nazyvat steklom eto organicheskoe veshestvo prirodnyj polimer hot i amorfnoj struktury a steklo opyat zhe klassificiruemo imenno kak tvyordoe telo i t d neopr Data obrasheniya 9 aprelya 2010 Arhivirovano 7 oktyabrya 2008 goda LiteraturaStroenie stekla Trudy po stroeniyu stekla Leningrad 23 27 noyabrya 1953 M L Izdatelstvo AN SSSR 1955 Stekloobraznoe sostoyanie Trudy Tretego Vsesoyuznogo soveshaniya Leningrad 16 20 noyabrya 1959 M L Izdatelstvo AN SSSR 1960 Stekloobraznoe sostoyanie Tom III Vypusk 2 Mehanicheskie svojstva i stroenie stekla Trudy simpoziuma Leningrad 10 12 aprelya 1962 Zhurnal optiko mehanicheskoj promyshlennosti 8 10 1962 Stekloobraznoe sostoyanie Tom III Vypusk 1 Katalizirovannaya kristallizaciya stekla Trudy simpoziuma Leningrad 14 16 aprelya 1962 M L Izdatelstvo AN SSSR 1963 Stekloobraznoe sostoyanie Trudy Chetvyortogo Vsesoyuznogo soveshaniya Leningrad 16 21 marta 1964 L Nauka 1965 Stekloobraznoe sostoyanie Tom V vypusk I Fizika i himiya stekla Trudy Vtorogo Vsesoyuznogo simpoziuma po elektricheskim svojstvam i stroeniyu stekla Erevan oktyabr 1967 Erevan Izdatelstvo AN Armyanskoj SSR 1970 Stekloobraznoe sostoyanie Trudy Pyatogo Vsesoyuznogo soveshaniya Leningrad 26 30 noyabrya 1969 L Nauka 1971 Stekloobraznoe sostoyanie Elektricheskie svojstva i stroenie stekla Trudy III Vsesoyuznogo simpoziuma 16 18 maya 1972 Erevan Erevan Izdatelstvo AN Armyanskoj SSR 1976 Stekloobraznoe sostoyanie Trudy Sedmogo Vsesoyuznogo soveshaniya Leningrad 13 15 oktyabrya 1981 L Nauka 1983 Stekloobraznoe sostoyanie Trudy VIII Vsesoyuznogo soveshaniya Leningrad 28 31 oktyabrya 1986 L Nauka 1988Sm takzheNereshyonnye problemy sovremennoj fiziki
