Классификация твердых тел по структурному признаку

Твердые тела можно классифицировать по различным признакам. По структурному признаку их можно разделить на три класса: аморфные, кристаллические и нанодисперсные твердые вещества.

Аморфные вещества – это вещества в конденсированном состоянии, структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур.

Аморфные вещества, как правило, обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определенной точки плавления: при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние. Вязкость аморфных материалов – непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.

Витроиды – это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. Как уже отмечалось, стекла образуются в результате быстрого охлаждения, преимущественно силикатных расплавов. Быстрое охлаждение препятствует созданию упорядоченной структуры. Особенно, если молекулы громоздки, а скорость охлаждения велика.

Дисперсные системы – мельчайшие частицы размером 10^-7–10^-9 м. к ним относятся коллоиды, золи (органозоли, гидрозоли), пасты, клеи, мастики, краски, латексы и пр. К дисперсным аморфным системам относятся также некоторые горные породы (диатомит, опоки), имеющие общую формулу SiO₂·nH₂O; а также активный кремнезем, который образуется в результате разложения глин при их нагревании.

Полимеры – вещества, характерной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса молекул. Кроме того, молекулы объединены в структурные единицы, включающих 10³–10⁵ молекул-мономеров.

Кристаллические вещества – твердые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку – кристаллическую решётку.

Ближний порядок в кристаллических соединениях характеризуется фрагментом структуры, называемым элементарной кристаллической ячейкой. Регулярное повторение элементарной ячейки при переносе (трансляции) вдоль пространственных координат обеспечивает дальний порядок в кристаллах.

Согласно классическим представлениям, кристаллическое состояние является устойчивым состоянием твёрдого тела (с минимумом потенциальной энергии). Аморфное тело метастабильно и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется.

Как правило, кристаллы имеют естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определенных регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов). Они характеризуются определенной температурой плавления (разложения), при переходе через которую свойства веществ меняются скачкообразно.

Кристаллическое вещество может находиться в поли- или монокристаллическом состоянии.

Отдельные кристаллы, не содержащие границ раздела, являются монокристаллами. Для монокристаллов характерна анизотропия (неодинаковость) свойств в разных направлениях. Это относится к так называемым векторным свойствам (электропроводность, теплопроводность, прочность и ряд других). Например, процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определенным системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений. Скалярные свойства монокристаллов (внутренняя энергия, теплоемкость, плотность и др.) не зависят от направления.

Твердые поликристаллические вещества состоят из отдельных, порой очень мелких кристаллов, сцепленных между собой межмолекулярными силами. В поликристаллическом веществе, как правило, разное ориентирование зерен приводит к статистическому усреднению свойств в разных направлениях и такое твердое тело в целом оказывается изотропным.

Нанодисперсные порошки – особое состояние веществ, размер частиц которых соизмерим с молекулярными размерами.

Эти малые частицы (диаметром от 3 до 50 нм) обладают уникальными свойствами, зачастую существенно отличающимися от свойств того же вещества в конденсированной фазе и могут иметь различные технологические приложения.

В частности, показано, что с уменьшением размера частиц изменяются параметры элементарной ячейки. Тетрагональность (т. е. отклонение аксиального отношения от единицы) сегнетоэлектрического ВаТiO₃ уменьшается с уменьшением размера частиц порошка; в PbZr_0.52Ti_0.48O₃ с уменьшением размера частицы низкочастотная диэлектрическая постоянная уменьшается, а температура Кюри растет. Магнитные поля в микрокристаллической фазе α -Fe₂O₃ и Fe₃O₄ ниже таких же полей в массивных кристаллических фазах.

Структурными элементами в твердых телах могут быть атомы, ионы или молекулы. По природе частиц и по типу химической связи твердые вещества разделяют на молекулярные, ионные, атомные (ковалентные) и металлические.