Пређи на садржај

Amorfnost

С Википедије, слободне енциклопедије

U fizici kondenzovanih materija i nauci o materijalima, amorfna (od grčkog a, „bez”, morphé, oblik, forma) ili nekristalna čvrsta supstanca je čvrsta materija kojoj nedostaje dalekosežnije uređenje, poput onog karakterističnog za kristale. U nekim starijim knjigama ovaj termin je korišten kao sinonim za staklo. U današnje vreme se „staklena čvrsta supstanca” ili „amorfna čvrsta supstanca” smatra sveobuhvatnijim konceptom, a staklo posebnijim slučajem. Staklo je amorfna čvrsta supstanca koja pokazuje staklenu tranziciju.[1] Polimeri su često amorfni. Ostale vrste amorfnih čvrstih materija uključuju gelove, tanke filmove i nanostrukturne materijale poput stakla.

Amorfni materijali imaju unutrašnju strukturu napravljenu od međusobno povezanih strukturnih blokova. Ovi blokovi mogu biti slični osnovnim strukturalnim jedinicama koje se nalaze u odgovarajućoj kristalnoj fazi istog jedinjenja.[2] Da li je materijal tečan ili čvrst, pre svega zavisi od povezanosti njegovih elementarnih blokova, tako da čvrste materije karakteriše visok stepen povezivanja, dok strukturalni blokovi u tečnostima imaju nižu povezanost.[3]

U farmaceutskoj industriji se pokazalo da amorfni lekovi imaju veću bioraspoloživost od njihovih kristalnih ekvivalenata, zbog visoke rastvorljivosti amorfne faze. Štaviše, određena jedinjenja mogu biti podložiti taloženju u svom amorfnom obliku in vivo, i mogu uzrokovati međusobno smanjenje bioraspoloživosti ako se primenjuju zajedno.[4][5]

Za čvrstu supstancu se kaže da je amorfna ako njene čestice nisu uređene kao kod kristala. Primjeri amorfnih tijela su staklo, gelovi, tanki filmovi i nanostrukturni materijali. Amorfne supstance imaju određenu uređenost čestica samo na kraćim rastojanjima, ali ne postoji uređenost u cijelom prostoru. Kod kristalnih supstanci postoji pravilnost u prostoru u rasporedu čestica, i jačine veza između čestica su jednake, zbog toga pri zagrijavanju kristala veze između čestica se raskidaju naglo na određenoj temperaturi, i kristali imaju tačno određenu temperaturu topljenja. S druge strane kod amorfnih supstanci rastojanja između čestica nisu jednake u svim dijelovima, zbog toga nisu jednake ni privlačne sile između pojedinih čestica, i zbog toga pri zagrijavanju amorfnih supstanci ne postoji nagli prelaz iz čvrstog u tečno stanje na određenoj temperaturi, već pri zagrijavanju prvo omekšavaju, a zatim se tope u određenom temperaturnom intervalu. Čestice kod amorfnih supstanci su raspoređene haotično i u čvrstom stanju, s tim što je pokretljivost čestica u tečnom stanju je znatno veća. Zbog toga se stakla nekad nazivaju prehlađenim tečnostima.

Fundamentalna svojstva amorfnih čvrstih materija

[уреди | уреди извор]

Stakleni prelaz na visokim temperaturama

[уреди | уреди извор]

Smrzavanje iz tečnog stanja u amorfno čvrsto stanje - staklena tranzicija[6][7] - smatra se jednim od veoma važnih i nerešenih problema fizike.

Univerzalna niskotemperaturna svojstva amorfnih čvrstih materija

[уреди | уреди извор]

Na veoma niskim temperaturama (ispod 1-10 K), velika porodica amorfnih čvrstih materija ima različita slična niskotemperaturna svojstva. Iako postoje različiti teorijski modeli, ni staklena tranzicija ni niskotemperaturna svojstva staklastih čvrstih materija nisu dobro shvaćeni na nivou fundamentalne fizike.

Amorfne čvrste materije su važna oblast fizike kondenzovane materije koja ima za cilj da razume ove supstance na visokim temperaturama staklene tranzicije i na niskim temperaturama ka apsolutnoj nuli. Od 1970-ih, niskotemperaturna svojstva amorfnih čvrstih materija su eksperimentalno proučavana veoma detaljno.[8][9] Za sve ove supstance, specifična toplota ima (skoro) linearnu zavisnost kao funkciju temperature, a toplotna provodljivost ima skoro kvadratnu temperaturnu zavisnost. Ova svojstva se konvencionalno nazivaju anomalnim, jer se veoma razlikuju od svojstava kristalnih čvrstih materija.

Na fenomenološkom nivou, mnoga od ovih svojstava su opisana zbirkom tunelskih sistema na dva nivoa.[10][11] Ipak, mikroskopska teorija ovih svojstava i dalje nedostaje nakon više od 50 godina istraživanja.[12]

Zanimljivo je da je bezdimenzionalna količina unutrašnjeg trenja skoro univerzalna u ovim materijalima.[13] Ova veličina je bezdimenzionalni odnos (do numeričke konstante) talasne dužine fonona i srednjeg slobodnog puta fonona. Pošto se teorija tunelskih dvostepenih stanja (TLS) ne bavi poreklom gustine TLS-ova, ova teorija ne može da objasni univerzalnost unutrašnjeg trenja, koje je zauzvrat proporcionalno gustini raspršenih TLS-ova. Teorijski značaj ovog važnog i nerešenog problema istakao je Entoni Leget. [14]

Nanostrukturni materijali

[уреди | уреди извор]

Ako je veličina kristala mala onda je teško napraviti razliku između amorfnih tijela i kristala. I amorfna tijela imaju neku uređenost čestica na malim rastojanjima atomskih veličina zbog prirode hemijskih veza. Takođe u veoma malim kristalima veliki broj molekula je raspoređeno uglavnom na površini ili blizu površine, zato što efekti dejstva površine vrše distorziju pozicije čestica što smanjuje uređenost čestica. Čak i pri najnaprednijim tehnikama određivanja strukture, kao što je difrakcija X zracima i prenos elektronskim mikroskopom, postoji teškoća pri određivanju da li se radi o kristalnom ili amorfnom tijelu na dužinama koje su atomskog reda.

Amorfni tanki filmovi

[уреди | уреди извор]

Amorfne faze su vazni dijelovi tankih filmova, koji su čvrsti slojevi debljine nekoliko nanometara do nekoliko desetina mikrometara koji su naneseni na supstrat. Za opisivanje mikrostrukture keramike i tankih filmova su razvijeni strukturni modeli zona kao funkcije homologne temperature Tk koja predstavlja odnos temperature taloženja i temperature topljenja.[15][16] Prema ovim modelima potreban (ali ne i dovoljan uslov) za pojavljivanje amorfne faze je da Tk mora biti manje od 0,3 tj. da temperatura taloženja mora biti niza od 30% temperature topljenja. Za veće vrijednosti, površinska difuzija izdvojenih atomskih vrsta bi omogućila formiranje kristala sa visokom uređenoscu atoma.

Što se tiče specifične primene, amorfni metalni slojevi su igrali važnu ulogu u diskusiji o superprovodljivosti amorfnih metala.[17][18] Superprovodljivost amorfnih metala, uključujući amorfne metalne tanke filmove, sada se smatra da nastaje zahvaljujući fononski-posredovanom Kuperovom uparivanju, a uloga strukturalnog poremećaja može se racionalizovati na osnovu jakog-uparivanja Eliašbergove teorije superprovodljivosti.[19] Danas se optički pokrovni slojevi koji se prave od TiO2, SiO2, Ta2O5 itd, i njihovih kombinacija, većinom se sastoje od amorfnih faza ovih komponenata. Tanki amorfni filmovi se takođe primjenjuju za razdvajanje gasa kod membranski slojevi.[20] Oni su uglavnom napravljeni od tankog sloja SiO2, čija debljina ne premašuje nekoliko nm, i koji služe kao izolator iznad provodnog kanala MOSFET-a. Takođe, hidrogenizovani amorfni silicijum tj. a-Si:H ima tehničku primjenu u solarnim ćelijama na bazi tankih filmova. Kod a-Si:H nedostatak uređenosti između atoma silicijuma se javlja zbog prisustva vodonika u vidu nekoliko procenata.

Pojavljivanje amorfnih faza je takođe vazno u proučavanju rasta tankih filmova.[21] Rast polikristalnih filmova često počinje amorfnim slojem, čija debljina može biti samo nekoliko nm. Najbolje ispitan primjer je tanki polikristalni silicijumski film gdje je početni amorfni sloj posmatran u mnogim ispitivanjima.[22] Komadi polikristala su identifikovani pomoću transmisionog elektronskog mikroskopa i uočeno je da rastu iz amorfnog sloja nakon što amorfni sloj dostigne određenu debljinu, čija precizna vrijednost zavisi od temperature izdvajanja, pritiska i raznih drugih parametara. Ovaj fenomen je interpretiran u okviru Ostvladovih pravila o stanjima koje predviđa[23] formiranje manje stabilnih faza koje tokom vremena kondenzacija prelaze u stabilnije oblike.[18][22] Eksperimentalna proučavanja ovog fenomena zahtijevaju određeno stanje površine supstrata i njegovu gustinu nakon koje se stvara tanki film.

Reference

[уреди | уреди извор]
  1. ^ J. Zarzycki: Les verres et l'état vitreux. Paris: Masson 1982. English translation available.
  2. ^ Mavračić, Juraj; Mocanu, Felix C.; Deringer, Volker L.; Csányi, Gábor; Elliott, Stephen R. (2018). „Similarity Between Amorphous and Crystalline Phases: The Case of TiO₂”. J. Phys. Chem. Lett. 9 (11): 2985—2990. PMID 29763315. doi:10.1021/acs.jpclett.8b01067 Слободан приступ. 
  3. ^ Ojovan, Michael I.; Lee, William E. (2010). „Connectivity and glass transition in disordered oxide systems”. J. Non-Cryst. Solids. 356 (44–49): 2534—2540. Bibcode:2010JNCS..356.2534O. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012. 
  4. ^ Hsieh, Yi-Ling; Ilevbare, Grace A.; Van Eerdenbrugh, Bernard; Box, Karl J.; Sanchez-Felix, Manuel Vincente; Taylor, Lynne S. (12. 5. 2012). „pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties”. Pharmaceutical Research (на језику: енглески). 29 (10): 2738—2753. ISSN 0724-8741. doi:10.1007/s11095-012-0759-8. 
  5. ^ Dengale, Swapnil Jayant; Grohganz, Holger; Rades, Thomas; Löbmann, Korbinian (maj 2016). „Recent advances in co-amorphous drug formulations”. Advanced Drug Delivery Reviews. 100: 116—125. ISSN 0169-409X. PMID 26805787. doi:10.1016/j.addr.2015.12.009. 
  6. ^ ISO 11357-2: Plastics – Differential scanning calorimetry – Part 2: Determination of glass transition temperature (1999).
  7. ^ Dyre, Jeppe C. (2006). „Colloquium : The glass transition and elastic models of glass-forming liquids”. Reviews of Modern Physics (на језику: енглески). 78 (3): 953—972. Bibcode:2006RvMP...78..953D. ISSN 0034-6861. doi:10.1103/RevModPhys.78.953 Слободан приступ. 
  8. ^ Stephens, Robert B.; Liu, Xiao (2021). Low-Energy Excitations in Disordered Solids. A Story of the 'Universal' Phenomena of Structural Tunneling. ISBN 978-981-12-1724-1. S2CID 224844997. doi:10.1142/11746. 
  9. ^ Grushin, Adolfo G. (2022). Ramos, M., ур. Low-Temperature Thermal and Vibrational Properties of Disordered Solids. A Half-Century of Universal "Anomalies" of Glasses. ISBN 978-1-80061-257-0. S2CID 222140882. arXiv:2010.02851 Слободан приступ. doi:10.1142/q0371. 
  10. ^ Anderson, P.W.; Halperin, B.I.; Varma, C.M (1972). „Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses”. Philosophical Magazine. 25 (1): 1—9. Bibcode:1972PMag...25....1A. doi:10.1080/14786437208229210. 
  11. ^ Phillips, W.A. (1972). „Tunneling states in amorphous solids”. J. Low Temp. Phys., Pp 751. 7 (3–4): 351—360. Bibcode:1972JLTP....7..351P. S2CID 119873202. doi:10.1007/BF00660072. 
  12. ^ Esquinazi, Pablo, ур. (1998). Tunneling Systems in Amorphous and Crystalline Solids. ISBN 978-3-642-08371-6. doi:10.1007/978-3-662-03695-2. 
  13. ^ Pohl, R.O.; etc, etc (2002). „Low-temperature thermal conductivity and acoustic attenuation in amorphous solids”. Revs. Mod Phys. 74 (1): 991. Bibcode:1972PMag...25....1A. doi:10.1080/14786437208229210. 
  14. ^ Leggett, A.J. (1991). „Amorphous materials at low temperatures: why are they so similar?”. Physica B. 169 (1–4): 322—327. Bibcode:1991PhyB..169..322L. doi:10.1016/0921-4526(91)90246-B. 
  15. ^ Movchan, B. A.; Demchishin, A. V. (1969). „Study of the structure and properties of thick vacuum condensates of nickel, titanium, tungsten, aluminium oxide and zirconium dioxide”. Phys. Met. Metallogr. 28: 83—90. 
    Russian-language version: Fiz. Metal Metalloved (1969) 28  653-660.
  16. ^ Thornton, John A. (1974). „Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings”. J. Vac. Sci. Technol. 11 (4): 666—670. Bibcode:1974JVST...11..666T. doi:10.1116/1.1312732. 
  17. ^ Buckel, W.; Hilsch, R. (1956). „Supraleitung und elektrischer Widerstand neuartiger Zinn-Wismut-Legierungen”. Z. Phys. 146: 27—38. S2CID 119405703. doi:10.1007/BF01326000. 
  18. ^ а б Buckel, W. (1961). „The influence of crystal bonds on film growth”. Elektrische en Magnetische Eigenschappen van dunne Metallaagies. Leuven, Belgium. 
  19. ^ Baggioli, Matteo; Setty, Chandan; Zaccone, Alessio (2018). „Effective theory of superconductivity in strongly coupled amorphous materials”. Physical Review B. 101 (21): 214502. S2CID 209531947. arXiv:2001.00404 Слободан приступ. doi:10.1103/PhysRevB.101.214502. 
  20. ^ de Vos, Renate M.; Verweij, Henk (1998). „High-Selectivity, High-Flux Silica Membranes for Gas Separation”. Science. 279 (5357): 1710—1711. Bibcode:1998Sci...279.1710D. PMID 9497287. doi:10.1126/science.279.5357.1710. 
  21. ^ Magnuson, Martin; Andersson, Matilda; Lu, Jun; Hultman, Lars; Jansson, Ulf (2012). „Electronic structure and chemical bonding of amorphous chromium carbide thin films”. J. Phys. Condens. Matter. 24 (22): 225004. Bibcode:2012JPCM...24v5004M. PMID 22553115. S2CID 13135386. arXiv:1205.0678 Слободан приступ. doi:10.1088/0953-8984/24/22/225004. 
  22. ^ а б Birkholz, M.; Selle, B.; Fuhs, W.; Christiansen, S.; Strunk, H. P.; Reich, R. (2001). „Amorphous-crystalline phase transition during the growth of thin films: The case of microcrystalline silicon” (PDF). Phys. Rev. B. 64 (8): 085402. Bibcode:2001PhRvB..64h5402B. doi:10.1103/PhysRevB.64.085402. Архивирано (PDF) из оригинала 31. 3. 2010. г. 
  23. ^ Ostwald, Wilhelm (1897). „Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper” (PDF). Z. Phys. Chem. (на језику: German). 22: 289—330. S2CID 100328323. doi:10.1515/zpch-1897-2233. Архивирано (PDF) из оригинала 8. 3. 2017. г. 

Literatura

[уреди | уреди извор]

Spoljašnje veze

[уреди | уреди извор]
Amorfnost на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Amorfnost&oldid=29854883”