Создание новых материалов на основе аморфных веществ

СОЗДАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АМОРФНЫХ ВЕЩЕСТВ

В настоящее время актуальной научной проблемой является разработка новых материалов, применяемых в различных отраслях. Большой интерес вызывает разработка и применение материалов с использованием уникальных свойств аморфных тел.

Для того, чтобы исследовать, какими свойствами обладают эти тела, проведем ряд экспериментов. Из курса физики и химии мы знаем, что в зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном агрегатном состоянии, которое определяется расположением и характером движения молекул. При этом молекулы одного и того же вещества, независимо от агрегатного состояния, ничем не отличаются друг от друга.

При проведении лабораторных работ обычно не возникает сложностей при определении твердых, жидких и газообразных веществ по внешним признакам. Для того чтобы выявить свойства твердых тел, проведем ряд экспериментов.

Для первого опыта нам понадобятся стеарин (свеча), кусок пластилина и электрообогреватель. При постепенном нагревании тел, находящихся на расстоянии 15 см от прибора, мы увидим, что весь стеарин расплавится и станет жидким, а пластилин потеряет форму, став совсем мягким. В связи с этим можно сделать вывод, что твердые тела отличаются постоянством формы и объема, поэтому их принято делить на кристаллические и аморфные.

Р.А. Салагор, 2017 Кристаллические тела, или кристаллы, - это твердые тела, атомы или молекулы которых образуют правильную кристаллическую решетку; при нагревании они не размягчаются, а превращаются в жидкость. Если нагревать над горелкой так называемые легкоплавкие металлы, также относящиеся к кристаллическим, например, свинец, цинк, олово, то во время эксперимента эти вещества можно одновременно увидеть как в жидком и твердом состоянии (ту часть, которая еще не расплавилась).

В отличие от кристаллических, существуют тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими, поэтому невозможно указать температуру, при которой они плавятся (превращаются в жидкость). Такие вещества относятся к аморфным, они не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул и занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. К ним относятся стекло, твердые смолы, сургуч, эбонит, различные пластмассы, крахмал, мука, по другому называемые твердыми жидкостями.

Одним из основных свойств аморфных тел является текучесть даже при невысокой температуре. Для подтверждения этого проведем следующий эксперимент. В прозрачную воронку насыплем крупные куски смолы и оставим в теплом помещении на достаточно длительное время. Примерно через месяц можно наблюдать, что смола приняла форму воронки и даже начала вытекать в виде вытянутой струи. Этот опыт показывает, что аморфное тело имеет свойства густой и очень вязкой жидкости, то есть способно полностью занимать объем, в котором оно находится.

Другим характерным свойством аморфных тел является их кристаллизация, которая проявляется в том, что с течением времени некоторые аморфные тела самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Для эксперимента возьмем сахар-песок в кристаллическом виде и нагреем его. Постепенно сахар становится жидким, прозрачным, его цвет становится медово-коричневым. Таким образом изготавливают леденцы, которые при застывании становятся хрупкими, и их можно расколоть. Если леденцы не трогать довольно продолжительное время, то их поверхность станет непрозрачной. Если посмотреть на нее через увеличительное стекло, то можно увидеть кристаллы сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.

Стекло также является примером аморфного вещества. Оно сохраняет свою форму, может быть хрупким, прочным или твердым - это свойства твердого тела. Но по расположению молекул стекло является жидкостью: в его молекулах нет порядка даже в небольшом объеме вещества. В старинных домах можно увидеть, что сохранившиеся старые стекла в нижней части толще, чем верхней, то есть со временем стекло стекает, проявляя свойства жидкости.

Стекло не плавится, а размягчается. При нагревании кусок стекла сначала становится мягким, его можно легко гнуть или растягивать - на этом основано искусство стеклодувов и изготовления муранского стекла. При более высокой температуре стекло начинает изменять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса стекла принимает форму того сосуда, в котором оно находится. Эта масса сначала густая, как мед, затем напоминает сметану, и, наконец, становится похожей на воду. В связи с этим не представляется возможным указать конкретной температуры плавления стекла. При этом температура аморфных тел изменяется непрерывно, так же, как и при отвердевании (в отличие от температуры отвердевания или плавления твердых тел, которая в процессе перехода остается постоянной).

Если резко охладить расплавленное стекло, его атомы застынут в хаотичном порядке. В результате получается твердое тело с некристаллической решеткой, обладающее уникальными свойствами, - высококачественное стекло для уникальных оптических приборов.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что аморфные тела имеют уникальные свойства, связанные с отсутствием кристаллической решетки в расположении атомов и молекул как в жидкостях, а также сходством с твердыми телами.

Уникальные свойства аморфных тел находят широкое применение в промышленности, причем многие ученые считают, что будущее именно за этими материалами. Свойства аморфных тел используют в производстве считывающих головок в информационных технологиях, в жидкокристаллических экранах, а также в качестве материалов для деталей точной механики. Стекловолокно используется в оптоволоконных технологиях, в электро- и теплоизоляции, а также в новейших теплоизоляционных материалах.

Библиографический список

Полная энциклопедия школьника. - М.: ЗАО «РОСМЭН- ПРЕСС», 2011. - 608 с.

Чиварди, Э., Томсон, Р. Всё обо всём. Энциклопедия для детей от А до Я. - М.: Махаон, 2006. - 412 с.

Познание продолжается. Для среднего и старшего возраста. - М.: «Просвещение», 1970. УДК 330.322

Количество показов: 1073