Кіріспе

Кристалл емес қатты дене Конденсацияланған материя физикасы және материалтануда аморфты қатты дене (немесе кристалл емес қатты дене) — кристаллға тән ұзақ қашықтықтағы ретсіздікке ие емес қатты дене. "Шыны" және "шыны тәрізді қатты" терминдері кейде аморфты қатты заттармен мағынасы бірдей қолданылады; алайда, бұл терминдер шыныға өтуге ұшырайтын аморфты материалдарға ғана қатысты. Аморфты қатты денелердің мысалдары: шыны, металл шыны, және кейбір түрлері пластиктер мен полимерлер.

Этимология

Бұл термин грек тіліндегі a ("сыз") және morphé ("тұлға, форма") сөздерінен туындаған.

Құрылымы

Аморфты материалдар бір-бірімен байланысқан құрылымдық блоктардан тұратын ішкі құрылымға ие, олар сол қосылыстың сәйкес кристалдық фазасындағы негізгі құрылымдық бірліктерге ұқсас болуы мүмкін. Бірақ, кристалл материалдардан өзгеше, ұзақ қашықтықтағы реттелгендік жоқ. Сондықтан аморфты материалдарды шекті бірлік жасуша арқылы анықтау мүмкін емес. Атомдық тығыздық функциясы және радиалды таралу функциясы сияқты статистикалық әдістер аморфты қатты денелердің құрылымын сипаттауда тиімдірек. Орташа қашықтықтағы реттелгендік – бұл әдетте 1-2 нм көлемінде қысқа қашықтықтағы реттелгендіктен асып түсетін құрылымдық ұйымдасу ретінде анықталады. Бұл заттардың барлығы үшін жылу сыйымдылығы температураға байланысты (шамамен) сызықтық өзгереді, ал жылу өткізгіштігі температураға байланысты шамамен квадратикалық өзгереді. Бұл қасиеттер кристалдық қатты денелердің қасиеттерінен мүлдем өзгеше болғандықтан, дәстүрлі түрде аномальды деп аталады. Феноменологиялық деңгейде, осы қасиеттердің көпшілігі туннельдік екі деңгейлі жүйелер арқылы сипатталды. Дегенмен, осы қасиеттердің микроскопиялық теориясы 50 жылдан астам зерттеулерге қарамастан әлі де әзірленбеген. Кереметі, ішкі үйкеліс коэффициенті осы материалдарда дерлік универсалды шама болып табылады. Бұл шама – фонон толқын ұзындығының фононның орташа еркін жүріс жолына қатынасы (сандық тұрақтыға дейін). Туннельдік екі деңгейлі күйлер (TLS) теориясы TLS тығыздығының пайда болуын қарастырмайды, сондықтан бұл теория ішкі үйкелістің универсалдығын түсіндіре алмайды, ал ол өз кезегінде шашыраған TLS тығыздығына пропорционалды. Бұл маңызды және шешілмеген мәселенің теориялық маңызын Энтони Леггет ерекше атап көрсетті.

Наноқұрылымдық материалдар

Аморфты материалдар молекулааралық химиялық байланыстың ерекшелігіне байланысты атомдық деңгейде қысқа мерзімді тәртіпке ие болады. Бұдан әрі, өте кішкентай кристалдарда қысқа мерзімді тәртіп атомдардың көп бөлігін құрайды; алайда, бетіндегі серпілу және интерфейстік әсерлер атомдардың орналасуын бұрмалап, құрылымдық тәртіпті азайтады. Тіпті рентгендік дифракция және трансляциялық электронды микроскопия сияқты ең жетілген құрылымдық сипаттау техникалары да қысқа өлшемдерде аморфты және кристаллдық құрылымдарды ажыратуда қиындық тудыруы мүмкін.

Аморфты қатты денелердің сипаттамасы

Ұзақ мерзімді реттіліктің болмауына байланысты, стандартты кристаллографиялық әдістер аморфты қатты денелердің құрылымын анықтау үшін көбінесе жеткіліксіз болады. Аморфты материалдарды сипаттау үшін электрондық, рентгендік сәулелерге және есептеулерге негіделген әр түрлі техникалар қолданылған. Аморфты материалдар үшін көп режимді талдау өте кең таралған.

Рентген және нейтрон дифракциясы

Кристалдық материалдардан өзгеше, олар күшті Брагг дифракциясын көрсетеді, аморфты материалдардың дифракциялық суреттері кең және шашыраңқы төбелермен сипатталады. Осының салдарынан, аморфты материалдардың дифракциялық суреттерінен нақты кеңістіктегі құрылымдық ақпаратты алу үшін толыққанды талдау және қосымша техникалар қажет. Рентген сәулелері мен нейтрондық көздерден дифракциялық деректер алу тиімді, себебі олардың шашырату қасиеттері әртүрлі және толықтыратын деректер ұсынады. Дифракциялық деректерде жұптық үлестіру функциясын талдау арқылы белгілі бір қашықтықта орналасқан екі атомды кездестіру ықтималдығын анықтауға болады. Осы техникалардың көмегімен аморфты материалдың жергілікті құрылымын анықтау мүмкін.

Рентген сәулелерін сіңірудің ұсақ құрылымды спектроскопиясы

Рентген сәулелерін жұқа құрылымды сіңіру спектроскопиясы – атомдық деңгейде зерттеу құралы болып табылады, сондықтан ұзақ қатарлы реті жоқ материалдарды зерттеуге өте қолайлы. Осы әдіспен алынған спектрлер зерттеліп отырған атомның тотығу күйі, координациялық саны, оны қоршаған элементтер және олардың арақашықтығы туралы мәліметтер береді.

Атомдық электронды томография

Атомдық электронды томография әдісі суб-Ангстрем ажыратымдылығына жете алатын беріліс электронды микроскоптарда жүзеге асырылады. Зерттелетін үлгіден көптеген әртүрлі бұрыштарда түсірілген 2D кескіндер жинағы алынып, содан кейін 3D кескінді қайта құру үшін пайдаланылады. Кескіндерді алғаннан кейін, дрейф, шу және сканилеудің бұрмалануы сияқты мәселелерді жою үшін маңызды өңдеу жұмыстары жүргізілуі тиіс. Флуктуациялық электронды микроскопия тәжірибелері конвенциялық немесе сканерлік беріліс электронды микроскоп режимінде жүргізілуі мүмкін. Осы модельдерге сәйкес, аморфты фазалардың пайда болуы үшін қажетті шарт – (Th) 0,3-тен кіші болуы керек. Шөгінді температура балқыма температурасының 30%-дан төмен болуы тиіс.

Үдемелі өткізгіштік

Қолданылуларына қатысты, аморфты металл қабаттары Баккель мен Хилш жасаған аморфты металдардағы суперөткізгіштіктің табылуында маңызды рөл атқарды. Аморфты металдардың, оның ішінде аморфты металл жұқа қабаттарының суперөткізгіштігі, қазіргі кезде фонондық араласу арқылы Купер жұптасу нәтижесі деп түсіндіріледі. Құрылымдық тәртіпсіздіктің рөлі, суперөткізгіштіктің күшті байланыс режиміндегі Элиашберг теориясы негізінде түсіндірілуі мүмкін.

Жылудан қорғау

Аморфты қатты денелер кристаллды денелерге қарағанда жылу тасымалдаушылардың жоғары локализациясын көрсетеді, нәтижесінде жылу өткізгіштігі төмен болады. Жылудан қорғауға арналған өнімдер, мысалы, жылудан қорғайтын жабындар және оқшаулағыштар, өте төмен жылу өткізгіштігі бар материалдарға тәуелді. Технологиялық тұрғыдан ең маңызды жұқа аморфты қабат – бірнеше нанометрлік SiO2 қабаттары, олар металл оксиді жартылай өткізгіштік өрістік эффектті транзистордың (MOSFET) өткізгіш арнасының үстінде оқшаулағыш ретінде қолданылады. Сондай-ақ, сутекті аморфты кремний (Si:H) жұқа пленкалық күн батареялары үшін маңызды.

Фармацевтикалық қолдану

Фармацевтикалық өнеркәсіпте кейбір аморфты дәрілер аморфты фазаның жоғары ерігіштігінің нәтижесінде кристалдаған аналогтарына қарағанда жоғары биожетімділікке ие екені көрсетілген. Дегенмен, кейбір заттар тірі организмде (in vivo) аморфты күйде тұнбаға түсуі мүмкін, және оларды бірге қолданғанда өзара биожетімділікті төмендетуі де ықтимал.

Топырақта

Топырақтағы аморфты материалдар топырақтың көлемдік тығыздығына, түйіршіктердің тұрақтылығына, пластикалық қасиеттеріне және суды ұстау қабілетіне күшті әсер етеді. Төмен көлемдік тығыздық және жоғары бос кеңістіктердің мөлшері көбінесе шыны сынықтары мен басқа кеуекті минералдардың жиырылмауына байланысты. Андизоль топырақтарында аморфты материалдардың ең көп мөлшері кездеседі.

Фазасы

Аморфты фазалардың пайда болуы жұқа пленкалардың өсуін зерттеуде ерекше қызығушылық тудырған құбылыс болып шықты. Поликристаллдық пленкалардың өсуі жиі қолданылады және оған алдында бастапқы аморфты қабат түзіледі, оның қалыңдығы бірнеше нанометрге жете алады. Ең көп зерттелген мысал – жұқа поликристаллдық кремний пленкаларындағы бағытталмаған молекулалар. Электронды микроскопия арқылы қиыршық пішіндес поликристалдар аморфты фаза жеткілікті қалыңдыққа жеткеннен кейін ғана одан өседі анықталды, оның нақты мәні шөгінді температурасы, фонолық қысым және басқа да процестік параметрлерге байланысты. Бұл құбылыс Оствальдтың кезеңдер ережесі шеңберінде түсіндіріледі, ол конденсация уақытының ұзаруымен фазалардың қалыптасуының тұрақтылығы артатынын болжайды.