Vô định hình

Chưa được tổ chức và các vật liệu tinh thể không cấu trúc phân tử, mà tan chảy trên một phạm vi nhiệt độ rộng hơn so với các vật liệu tinh thể.

Một "rắn vô định hình" là một chất rắn, trong đó không có lệnh tầm xa của các vị trí của các nguyên tử. (Chất rắn, trong đó có thứ tự nguyên tử tầm xa được gọi là chất rắn tinh thể hoặc morphous). Hầu hết các lớp vật liệu rắn có thể được tìm thấy hoặc chuẩn bị ở dạng vô định hình. Ví dụ, kính cửa sổ thông thường là một chất rắn vô định hình, nhiều polyme (như polystyrene) là vô định hình, và thậm chí cả thực phẩm như kẹo bông là chất rắn vô định hình.

Về nguyên tắc, với một tốc độ làm mát đủ cao, chất lỏng có thể được làm thành một chất rắn vô định hình. Làm mát làm giảm tính di động phân tử. Nếu tốc độ làm mát nhanh hơn tốc độ mà các phân tử có thể tổ chức thành một nhà nước kết tinh hơn nhiệt động thuận lợi, sau đó một chất rắn vô định hình sẽ được hình thành. Bởi vì xét entropy, nhiều loại polyme có thể được thực hiện chất rắn vô định hình bằng cách làm lạnh ngay cả ở mức chậm. Ngược lại, nếu các phân tử có đủ thời gian để tổ chức thành một cấu trúc đặt hàng hai hoặc ba chiều, sau đó một (hoặc bán tinh thể) tinh thể rắn sẽ được hình thành. Nước là một ví dụ. Do kích thước phân tử của nó nhỏ và khả năng để nhanh chóng sắp xếp lại, nó không thể được thực hiện vô định hình mà không cần đến kỹ thuật chuyên ngành hyperquenching.

vật liệu vô định hình cũng có thể được sản xuất bởi các chất phụ gia có ảnh hưởng đến khả năng của các thành phần chính để kết tinh. Ví dụ, thêm soda cho kết quả silicon dioxide trong kính cửa sổ, và ngoài của glycols cho kết quả nước trong chất rắn vitrified.

Một số vật liệu, chẳng hạn như kim loại, rất khó để chuẩn bị trong trạng thái vô định hình. Trừ khi một vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (như gốm sứ do) hoặc một năng lượng kết tinh thấp (như các polyme có xu hướng), làm mát phải được thực hiện rất nhanh chóng. Khi làm mát được thực hiện, những thay đổi vật chất từ ​​một chất lỏng siêu lạnh, với tính chất một mong chờ từ một vật liệu trạng thái lỏng, với một chất rắn. Nhiệt độ mà tại đó quá trình chuyển đổi này xảy ra được gọi là nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh hoặc Tg.

Định nghĩa

Thật khó để phân biệt giữa thực sự chất rắn vô định hình và chất rắn tinh thể nếu kích thước của các tinh thể rất nhỏ. Ngay cả vật liệu vô định hình có một số thứ tự tầm ngắn ở quy mô chiều dài nguyên tử do bản chất của các liên kết hóa học. Hơn nữa, trong các tinh thể rất nhỏ, một phần lớn của các nguyên tử được đặt tại hoặc gần bề mặt của tinh thể, thư giãn của bề mặt và các hiệu ứng interfacial xuyên tạc các vị trí nguyên tử, giảm để cơ cấu. Ngay cả những đặc tính kỹ thuật tiên tiến nhất về cơ cấu, chẳng hạn như sự nhiễu xạ X-quang và kính hiển vi điện tử truyền qua, có khó khăn trong việc phân biệt giữa các cấu trúc vô định hình và tinh thể trên các mức chiều dài.

Việc chuyển đổi từ trạng thái lỏng để kính, ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy cân bằng của vật liệu, được gọi là chuyển tiếp thủy tinh. Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh là khoảng nhiệt độ mà tại đó độ nhớt của chất lỏng vượt quá một giá trị nhất định (khoảng 1012 Pa ° Nam). Nhiệt độ chuyển đổi phụ thuộc vào tốc độ làm mát, với sự chuyển đổi thủy tinh xảy ra ở nhiệt độ cao hơn tỷ lệ làm mát nhanh hơn. Bản chất chính xác của việc chuyển đổi thủy tinh là đối tượng của nghiên cứu liên tục. Trong khi rõ ràng là quá trình chuyển đổi thủy tinh không phải là một quá trình chuyển đổi nhiệt động lực học đầu tiên đặt hàng (chẳng hạn như nóng chảy), có tranh luận về việc nó là một sự chuyển tiếp bậc cao hơn, hoặc chỉ đơn thuần là một hiệu ứng động.