Аморфные вещества: необычные свойства удивительных материалов

Аморфные вещества, в отличие от кристаллических твердых тел, не имеют дальнего порядка в расположении атомов или молекул. Их структура напоминает структуру жидкостей. Несмотря на это, аморфные вещества сохраняют форму, как твердые тела. Благодаря своему необычному строению, они демонстрируют уникальные физические и химические свойства.

К аморфным веществам относятся стекла, полимеры, металлические сплавы, гели и многие другие материалы. Их широко используют в оптике, микроэлектронике, машиностроении. В данной статье мы подробно разберем, что представляют собой аморфные вещества, каковы их уникальные особенности и области применения.

Методы получения аморфных веществ

Одним из основных методов получения аморфных веществ является быстрое охлаждение расплава со скоростью, не позволяющей атомам занять положения в кристаллической решетке. Для стекол достаточно охлаждения со скоростью десятков миллисекунд, а для металлов - до 1012 К/с. Такие высокие скорости достигаются с помощью специальных методов: закалки на вращающемся диске, вакуумного напыления, введения дефектов в кристаллическую решетку.

Другим распространенным способом является деформация кристаллических металлов. При сильных сдвиговых деформациях в металле локально возникают аморфные области. Этот эффект используется в некоторых сплавах для создания аморфно-кристаллической структуры с улучшенными свойствами.

Аморфные полимеры получают путем охлаждения переохлажденных жидкостей или расплавов. При этом длинные полимерные цепи запутываются и не могут упорядочиться в кристаллическую решетку.". "Кроме того, существуют химические методы синтеза аморфных полимеров, когда мономеры полимеризуются непосредственно в аморфном состоянии

Структура и свойства аморфных веществ

Главной особенностью структуры аморфных веществ является отсутствие дальнего порядка расположения атомов, характерного для кристаллов. При этом сохраняется ближний порядок - атомы одного сорта группируются рядом с атомами другого сорта. Такое неупорядоченное строение обуславливает изотропность свойств аморфных веществ.

В отличие от кристаллов, в аморфных веществах отсутствуют четкие границы зон. Вместо этого наблюдаются области с плавно меняющейся плотностью энергетических состояний. Электроны в таких структурах часто локализованы. При определенной энергии происходит переход электронов в делокализованное состояние.

Беспорядочное расположение атомов приводит к низкой теплопроводности аморфных веществ. Они обладают высокой механической прочностью и пластичностью по сравнению с кристаллами. Из-за отсутствия плоскостей спайности разрушение аморфных тел происходит хаотично.

Аморфные вещества могут находиться в стеклообразном, вязко-текучем, высокоэластичном и других состояниях. Переход между этими состояниями определяется изменением подвижности структурных элементов при нагревании или охлаждении.

Применение аморфных веществ в технике

Аморфные металлические сплавы находят применение там, где требуются высокая коррозионная стойкость и механическая прочность. Их используют для изготовления высококачественных лезвий, а также в авиации и космонавтике.

Благодаря высокой пластичности и прочности аморфных сплавов, из них производят микроэлектромеханические системы и детали микроэлектроники. Такие детали менее подвержены механическим повреждениям.

Аморфные полупроводники применяются в оптоэлектронике для создания светодиодов и лазеров. Они обеспечивают высокую эффективность преобразования электрической энергии в световую.

Стеклообразные аморфные вещества широко используются в оптике. Из них изготавливают линзы, призмы, оптоволокна и другие оптические элементы. Также аморфные диэлектрики применяются в микроэлектронике.

Перспективы использования аморфных веществ

Исследования последних лет показали перспективность применения аморфных металлов в качестве материалов для производства постоянных магнитов. Они позволяют получать магниты с рекордно высокой коэрцитивной силой.

Аморфные сплавы на основе кремния, германия и углерода рассматриваются как перспективный материал для создания литий-ионных аккумуляторов нового поколения. Такие аккумуляторы способны заряжаться за несколько минут.

Ведутся исследования по использованию аморфных полупроводниковых пленок в гибкой электронике. Гибкие дисплеи и сенсоры на основе таких пленок смогут изменить облик электронных устройств.

Разрабатываются композитные материалы на основе аморфного углерода, которые прочнее стали и легче пластика. В будущем они могут применяться в авиакосмической отрасли.