Аморфные тела

По разным причинам, например при быстрой кристаллизации жидкости (расплава), порядок расположения микрочастиц в узлах кристаллической решетки может нарушаться. Отсутствие упорядоченной кристаллической структуры характерно для твердых аморфных веществ. Аморфные вещества не имеют строго упорядоченной кристаллической структуры.

Например, кварц SiO₂, существует в кристаллическом и аморфном состояниях (рис. 27). В кристалле решетка имеет геометрически правильное строение в любой его части (рис. 27, а). В аморфном теле геометрически правильная решетка сохраняется в небольших по объему участках. Один из таких участков выделен пунктирной линией (рис. 27, б). По мере удаления от таких участков строгий порядок расположения атомов нарушается, т. е. отсутствует дальний порядок расположения атомов, нарушается трехмерная периодичность структуры, характерная для кристаллического состояния.

а)

б)

Рис. 27. Строение оксида кремния: а) кристаллического; б) аморфного. Черными кружками обозначены атомы кремния, светлыми – атомы кислорода. Изображена одна плоскость кристалла, поэтому четвертая связь у атома кремния не показана. Пунктирной линией выделен ближний порядок в беспорядке аморфного вещества

Жидкие кристаллы

Индивидуальные кристаллические химические соединения плавятся при определенной постоянной температуре. Например, лед плавится при 0⁰ С (р = 1 атм), и температура остается постоянной до тех пор, пока не расплавится весь кристалл льда. Для аморфных веществ не существует определенной постоянной температуры плавления. Это характерно для стекол и полимеров. Аморфное вещество постепенно размягчается, появляются капельки жидкости, но температурной остановки плавления не наблюдается.

Существуют жидкие кристаллы – текучие вещества, молекулы которых частично упорядочены в одном направлении. По своим физико-химическим свойствам жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществом.

Известно, что жидкости изотропны, т.е. в декартовой системе координат оптические свойства, плотность вещества и многие другие свойства жидкости не меняются, не зависят от направления. Кристаллы представляют собой анизотропную среду, физические свойства которой различны в различных направлениях.

Жидкие кристаллы сохраняют некоторые свойства жидкостей, например текучесть. Но в отсутствие внешнего воздействия в жидких кристаллах анизотропны электропроводность, теплопроводность, оптические и другие характеристики, присущие твердым кристаллам.

Такая особенность обусловлена молекулярной структурой соединений, составляющих жидкий кристалл. Одно из соединений такого типа представлено ниже:

4-пентил-4-цианодифенил

Обозначим удлиненную молекулу жидкого кристалла прямой линией. Такие удлиненные молекулы стремятся выстроиться в определенном дальнем порядке, распространяющемся по всему объему (рис. 28).

Рис. 28. Модели жидких кристаллов: а) нематическая; б) смектическая; в) холестерическая

В нематическом жидком кристалле молекулы проявляют упорядоченность – они ориентированы по оси Z, но, как в обычной жидкости, молекулы характеризуются хаотическим распределением центров тяжести. Такие жидкости выглядят как мутная непрозрачная жидкость. Под воздействием электрического поля напряжением порядка 1 В изменяется структура жидкого кристалла и его оптические свойства.

В смектическом жидком кристалле молекулы расположены слоями, которые скользят относительно друг друга, проявляя текучесть, свойственную жидкости, однако по оси Z проявляются свойства твердого тела под воздействием внешнего давления.

Холестерический жидкий кристалл в плоскости ХУ обладает текучестью подобно смектическому жидкому кристаллу. А вдоль оси Z молекулы в слоях изменяют свою ориентацию при переходе от слоя к слою по восходящей (или нисходящей) спирали.

Жидкие кристаллы используются в термометрах, в электронных часах, микрокалькуляторах для отражения цифровой и буквенной информации и многих других приборах.