О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОСТНОЙ КОНЦЕПЦИИ К СТРОЕНИЮ СТЁКОЛ

Теория строения стекла

 

А.И.БОЛУТЕНКО

 

E-mail: bolutenko@mail.ru                 Физика стекла               Главная

 

 

АННОТАЦИЯ

 

     Для построения гипотез стеклообразного состояния широкое применение получила жидкостная концепция. Показано, что применение жидкостной концепции к стеклообразному состоянию недостаточно обосновано. Моделирование стекла посредством жидкости ведёт к усложнению вопроса о стеклообразном состоянии. Жидкостная концепция строения стёкол неправомочна, и жидкость не может быть использована в качестве модели для разработки гипотезы стеклообразного состояния и строения стекла.

 

 

     Потребность синтеза новых стёкол для различных областей техники выдвигает необходимость прогнозирования их свойств. В связи с этим проблема строения стекла имеет не только теоретический интерес, но и большое практическое значение. Определение структуры стекла заключается в установлении характера расположения его отдельных элементов и типа образуемых между ними связей. Знание структуры в свою очередь предопределяет объяснение процесса стеклообразования и физико-химических свойств стёкол. Однако, несмотря на стройную теорию кристаллического состояния, даже в кристаллах в настоящее время практически невозможно последовательное рассмотрение сил связи с позиций квантовой механики [1]. Использование для описания стеклообразного состояния результатов, полученных применительно к кристаллам, вызывает сомнение [2].

     С теоретической точки зрения стеклообразное состояние выдвигает более трудные проблемы, так как расположение атомов в стёклах более сложное, чем в кристаллах. Множество теорий, гипотез и отдельных суждений о строении стекла, в основу которых положен ряд постулатов и критериев, не дали определённого ответа на вопрос о природе стекла, его структуре, причинах стеклообразования, концентрационных и температурных зависимостях свойств стёкол. Поэтому построение теории стеклообразного состояния требует принципиально нового подхода, который не является иной интерпретацией в рамках существующих представлений о стекле как о переохлаждённой жидкости, а в корне изменяет эти критерии и взгляды.

     Установление природы и закономерностей стеклообразного состояния является необычайно сложной задачей, поэтому пытаются находить аналоги, служащие моделями стекла. В этой связи широкое распространение получила жидкостная концепция, по которой структура стекла приравнивается к структуре жидкости.

     Впервые на чрезвычайно близкое сходство между стеклообразным и жидким состояниями указал Тамман [3]. При этом было обращено внимание на то, что переохлаждённые жидкости не полно описывают соотношение между жидким и стеклообразным состояниями.

     Развитие кристаллитной гипотезы строения стекла совпало по времени с квазикристаллическими представлениями о структуре жидкостей. Это способствовало широкому применению и укреплению жидкостной концепции при описании строения стёкол. При рассмотрении стекла как переохлаждённой жидкости структурные особенности жидкого состояния переносились на структуру стекла [4]. Исходя из представления о строении жидкости, высказывались предположения о структуре стекла как квазикристаллической, состоящей из аморфной структуры с областями упорядочения [5], или близкой к твёрдым веществам, то есть кристаллической [6].

     Идентичность структуры жидких сред и стекла на основании подобия такого их свойства, как изотропия, обосновывается в работе [7]. Строение стекла считается тесно связанным со строением жидкости исходя из того, что кривые рассеяния рентгеновских лучей стёклами и жидкостями сходны, и жидкость вблизи температуры кристаллизации по строению ближе к твёрдому, чем к газообразному состоянию [8]. Ввиду отсутствия дальнего порядка в структуре стекла и жидкости можно ожидать сходства между структурами [9]. Аналогия между аморфным твёрдым телом и жидкостью заслуживает внимания, так как позволяет лучше понять свойство обоих состояний вещества [10].

     Таким образом, подход к рассмотрению стеклообразного состояния аналогично жидкому сохранился на протяжении длительного периода. Общий характер кривых рассеяния рентгеновских лучей и изотропия в стёклах и жидкости не является достаточным условием для идентичности их структуры. Выбор жидкости в качестве модели стекла недостаточно обоснован и был возможен лишь в связи с общностью взглядов гипотез строения жидкости и стекла как квазикристаллических.

     В ряде работ стеклу приписывается строение того расплава, из которого оно получено. При охлаждении расплава стекла частицы не успевают перестроиться в правильную решётку, сохраняется их неупорядоченное расположение, свойственное жидкому состоянию [11]. Стеклообразная сетка помнит о структуре жидкости, из которой она образовалась [12]. Идентичность спектров ЯМР боратного стекла при повышенных температурах и волокна при комнатной температуре подтверждает гипотезу о замораживании в волокне структуры стекла при высоких температурах [13]. Тонкие волокна могут служить моделью расплава стекла [14].

     В отличие от чисто жидкостной концепции строения стёкол в работе [15] высказывается мнение, что стеклообразное состояние можно понять при одновременном использовании строения жидкостей и кристаллохимических данных. Применение жидкостной концепции к описанию структуры стекла привело к взгляду на стеклообразное состояние как жидкое, отличающееся от нормального жидкого состояния лишь большей величиной вязкости [16].

     Широко распространённые представления о структуре стекла, идентичной структуре жидкости или стеклообразного расплава, носят чисто постулативный характер и недостаточно убедительно подтверждены экспериментально. Стремление представить структуру стекла аналогичной структуре жидкости вызывает необходимость при рассмотрении строения и свойств стёкол обратиться к теории жидкого состояния вещества. Для установления закономерностей стеклообразного состояния при таком подходе надо знать строение жидкости.

     В основу создания кинетической теории жидкостей положено сближение жидкого состояния с твёрдым кристаллическим. Поэтому теория жидкостей должна представлять обобщение и развитие кинетической теории твёрдых тел. Сходство жидкостей с твёрдыми кристаллическими телами является бесспорным фактом, расположение атомов в жидкости сохраняет тот же характер, что и в кристалле [17]. На наличие в жидкости структурной упорядоченности, выражающейся в расположении ближайших атомов примерно так же, как и в кристалле, указывается в работах [16, 18].

     Несмотря на то, что созданы теоретические основы строения жидкостей, нельзя считать окончательно решённым вопрос об их структуре. В действительности структура жидкости значительно сложнее, чем соответствующего ей твёрдого тела. Это происходит за счёт перехода части атомов при нагревании в возбуждённое состояние, взаимодействие их с остальными атомами представляет сложную картину.

     В исследовании стеклообразного состояния была сделана ориентация на жидкостную концепцию строения стёкол. Задача расшифровки структуры самой жидкости оказалась настолько сложной, что моделирование стекла посредством жидкости привело к усложнению вопроса о стеклообразном состоянии.

     В жидкостях геометрия расположения атомов недостаточно известна [18]. Прямое исследование структуры жидкости является невыполнимой для эксперимента задачей, а косвенные суждения о справедливости моделей жидкости возможны в случае наличия представлений о характере взаимодействия частиц [19]. В настоящее время не представляется возможным получить достаточно подробные сведения и о структуре жидкостей, из которых образуются стёкла [9]. Сближение стёкол не только в твёрдом, но и в расплавленном состоянии, с обычными жидкостями малоплодотворно [20], структура стёкол отличается от структуры жидкостей [21].

     В связи с тем, что строение жидкости неизвестно, попытка использования жидкого состояния в качестве модели стеклообразного состояния неправомочна. Развитие представлений о стеклообразном состоянии из общего строения жидкости нереально. Считать, что расплавы стёкол отражают их структуру в твёрдом состоянии можно лишь в той мере, в какой это относится к кристаллическим веществам. Конечно, твёрдое тело имеет непосредственную генетическую связь с расплавом, из которого оно образовалось. Но именно благодаря различиям в структуре, возникающим с ростом температуры при сохранении того же химического состава, и происходит плавление. Поэтому нельзя проводить аналогию в структуре твёрдых тел и их расплавов. Структурные представления о расплаве можно создать, приняв в качестве модели деформированное твёрдое тело.

     Жидкостная концепция не может быть использована в качестве модели для разработки гипотезы стеклообразного состояния и строения стекла.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Л.А.Брыскина, В.А.Жданов. В сб.: Химическая связь в полупроводниках и термодинамика, 28. Минск, 1966.

2. Р.Пайерлс. Квантовая теория твёрдых тел, 4. М., 1956.

3. Г.Тамман. Стеклообразное состояние, 23. Л.-М., 1935.

4. К.С.Евстропьев. В сб.: Строение стекла, 10. М.-Л., 1955.

5. Г.М.Бартенев. В сб.: Строение стекла, 293. М.-Л., 1955.

6. Н.В.Белов. В сб.: Строение стекла, 344. М.-Л., 1955.

7. К.С.Евстропьев, Н.А.Торопов. Химия кремния и физическая химия силикатов, 75. М., 1956.

8. Г.М.Бартенев. Механические свойства и тепловая обработка стекла, 14. М., 1960.

9. Г.Роусон. Неорганические стеклообразующие системы, 11. М., 1970.

10. А.Бейзер. Основные представления современной физики, 348. М., 1973.

11. Р.Л.Мюллер. Природа, №8, 31, 1964.

12. А.Винтер-Клайн. В сб.: Стеклообразное состояние, 45. М.-Л., 1965.

13. П.С.Калинин, Р.С.Шевелевич. Неорганические материалы, 7, 1891, 1971.

14. М.С.Асланова. В сб.: Стеклообразное состояние, 320. Л., 1971.

15. Г.М.Бартенев. Строение и механические свойства неорганических стёкол, 61. М., 1966.

16. П.У.Макмиллан. Стеклокерамика, 20. М., 1967.

17. Я.И.Френкель. Кинетическая теория жидкостей, 101, 121. М.-Л., 1945.

18. Ч.Уэрт, Р.Томсон. Физика твёрдого тела, 93. М., 1969.

19. А.И.Китайгородский. Предисловие редактора перевода к книге: А.Убеллоде. Плавление и кристаллическая структура, 3. М., 1969.

20. В.В.Тарасов. Новые вопросы физики стекла, 27. М., 1959.

21. Д.И.Левин. В сб.: Стеклообразное состояние, 242. М.-Л., 1960.

 

18.01.1976

 

Публикация  8.12.2011

 

 

 

Hosted by uCoz