Список тематических статей

СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ

Понятие и общие сведения

Название «стеклообразное состояние вещества» происходит от набора свойств, в котором при нормальных условиях находится силикатное стекло. Веществом в стеклообразном состоянии называется твердое аморфное тело, которое способно после расплавления или перехода в состояние вязкой текучести вновь преобразовываться в аморфное вещество.

Стеклообразное состояние вещества отличается от кристаллического состояния тем, что оно является метастабильным, то есть неустойчивым состоянием вещества с точки зрения термодинамики. Фазовый переход из расплавленного в стеклообразное состояние и обратно не несет большого изменения в расположении частиц в пространстве. Также при переходе не наблюдается драматичного изменения физико-механических характеристик материала.

В стеклообразном состоянии у вещества не может быть четкой кристаллической решётки. Некоторые элементы кристаллизации можно увидеть в малых кластерах среднего порядка строения вещества. Образование кристаллической фазы в стеклообразном состоянии не происходит по кинетическим причинам.

В принципе словом «стекло» можно обозначить любое вещество, находящееся в аморфном твёрдом состоянии. Однако ученые различают стекла и стеклоподобные полимеры, находящиеся в подобном состоянии из-за большой длины макромолекул.

Рис.1. Готовый к переработке полимер 

Свойства веществ в стеклообразном состоянии

При переходе расплава в стеклообразное состояние у вещества резко уменьшается степень подвижности элементарных частиц и возникает своего рода заморозка структуры ближнего порядка. Стеклообразные вещества сохраняют форму и не подвергаются необратимым деформациям от приложенных нагрузок до момента их разрушения.

Материалы в стеклообразном состоянии обладают следующими свойствами:

1. Вещества имеют определенный запас внутренней энергии, что отличает их от кристаллических материалов. Стеклообразное состояние получается путем переохлаждения вязкого или жидкого вещества и вводом его в состояние метастабильности. При этом в таком состоянии вещество способно сохраняться значительное время – годы и даже столетия, т.к., например, стеклянные изделия попадаются среди в том числе археологических находок.

2. Стеклообразные материалы, в отличие от кристаллических, демонстрируют изотропные свойства. Это значит, что физико-механические характеристики образца не зависят от направления измерения. Известно, что изотропность демонстрируют аморфные материалы, имеющие максимально однородную структуру.

3. Вещества в стеклообразном состоянии способны к плавным размягчению и отвердеванию. Эти процессы являются обратимыми и могут чередоваться сколь угодно долго. Они не обладают точным значением температуры плавления, но имеют температурный интервал размягчения и стеклования.

Многие стеклообразные материалы обладают хорошей прозрачностью в видимой части спектра. Такие свойства стекла, стекловолокна, полимеров и композитов обеспечивают им широкое применение в различных сферах.

Нахождение в природе

В окружающей среде стеклоподобные вещества находятся в составе вулканических пород, в свое время резко охладившихся из жидкой лавы при выходе ее на контакт с холодным воздухом или водой. Также известны стёкла, найденные в метеоритах, которые оплавились при прохождении через атмосферу.

Рис.2. Изделия из вулканического стекла

Искусственно полученное силикатное стекло начали квалифицировать в соответствии с известными натуральными аналогами. Названия производимого стекла пошли также от натуральных стекол, в соответствии с условиями образования.

Среди неорганических веществ сравнительно легко переходят в стеклообразное состояние диоксид кремния, оксид бора (III), оксид германия (II), фторид бериллия (II), халькогениды мышьяка и другие соединения. Также переходят в такое состояние расплавы различных смесей оксидов в том случае, если в состав смеси в достаточном количестве входят указанные выше оксиды или оксид фосфора (V). Хорошо протекает стеклообразование у различных жидких смесей галогенидов и халькогенидов. В случае очень высоких скоростей охлаждения в стеклообразное состояние могут быть переведены даже некоторые металлические сплавы, известные как металлические стекла или аморфные металлы.

Отдельного упоминания заслуживают органические вещества, обычно это полимеры. Им посвящена отдельная статья на портале ПластЭксперт «Стеклообразное состояние полимеров».