非晶态(Amorphous State)
非晶是一种固态物质,它具有两个特性:(1) 非晶态物质有独特的力、热、电等特性——通常与物质的测量方向无关(各向同性), (2)随着温度升高,物质软化并逐渐进入液态。(换句话说,在非晶态下没有明确的熔点。)
这些特性是由于在非晶态下不存在长程序。这种长程序存在于晶体中,晶体在成百上千个周期内,在同一个结构元素——原子、原子团、分子等的所有方向上都表现出严格的周期性。同时,非晶态物质具有短程有序性——即相邻粒子位置的规律性(在与分子尺寸相当的距离处观察到的有序性)。随着距离的增加,这种一致性会减弱,并且在 0.5-1 纳米后消失。
短程有序也是液体的特征。然而,在液体的情况下,相邻粒子之间存在密集的位置交换;这种交换随着粘度的增加而延迟。为此,一方面,非晶态的固体可以看作是粘度系数非常高的过冷液体,另一方面,非晶态的概念包含了液体的概念。
各向同性也是多晶态的特征;然而,这以严格定义的熔化温度为特征,并且正是这一事实证明将其与非晶态分离是合理的。非晶态和晶态之间的结构差异很容易在 X 射线图上检测到。散射在晶体上的单色 X 射线形成由不同线或点组成的衍射图;这不是非晶态的特征。
晶体状态是物质在低温下的稳定固态。但是,根据分子的特殊性质,结晶的时间可能会很长;在物质冷却过程中,分子必须首先设法按照晶体顺序排列。这有时需要很长时间,结果无法实现结晶状态。在其他情况下,通过加速冷却过程达到非晶态。例如,通过熔化石英晶体,然后快速冷却熔体,可以获得非晶石英玻璃。许多硅酸盐的行为方式相同,冷却后生成普通玻璃。为此,非晶态通常被称为玻璃态。然而,在大多数情况下,即使非常快速的冷却也不能阻止晶体的形成,因此大多数物质不可能达到非晶态。非晶态在自然界中的出现频率低于晶态。它存在于蛋白石、黑曜石、琥珀、天然树脂和沥青中。
非晶态不仅限于由单个原子和普通分子组成的物质,如玻璃和液体(低分子化合物),还可以在由长链大分子形成的物质中发现,即所谓的高分子。分子化合物或聚合物。非晶聚合物的结构特征在于分子链的短程有序。随着链条彼此之间的距离增加,这种序很快消失。聚合物分子形成团簇,可以说,由于聚合物的粘度非常高且其分子的直径很大,因此其寿命非常长。出于这个原因,在许多情况下,团簇实际上无限期地保持不变。
根据温度,非晶聚合物根据温度以三种状态存在。这三种状态在热运动的特征上有所不同——玻璃体、超弹性和液体(粘流体)。在低温下,分子链没有流动性,在这种情况下,聚合物在非晶态下表现为普通固体。在足够高的温度下,热运动的能量变得足够大以产生分子链的位移,尽管不是整个分子的位移。进入超弹性状态,其特征在于聚合物易于拉伸或压缩的能力。从超弹性状态到玻璃态的转变称为玻璃化。在粘性流体状态下,不仅分子片段而且整个大分子都可能发生位移,聚合物然后变成流体。