Antoni Adamczyk - Niezwykły stan materii Ciekłe kryształy.pdf
(
13193 KB
)
Pobierz
WIEDZA POWSZECHNA
Antoni Adamczyk
NIEZWYKŁY STAN MATERII
CIEKŁE KRYSZTAŁ
1
STANY
MEZOMORFICZNE
SUBSTANCJI
Struktury ciekłych kryształów
Wszystkie ciała krystaliczne w określonej
temperaturze, zwanej temperaturą topnienia,
przechodzą w stan ciekły. To powszechnie zna
ne zjawisko polega na termicznym zerwaniu
sztywnych wiązań między molekułami. W tem
peraturze topnienia energia drgań cieplnych
molekuł jest już-większa od energii ich wią
zań i dzięki temu mogą one swobodnie prze
mieszczać się, co w konsekwencji daje sub
stancji zdolność płynięcia. Podobną, w pew
nej mierze, zdolność uzyskuje kryształ po do
kładnym zmieleniu. W czasie mielenia wią
zania w krysztale zrywane są mechanicznie,
zaś drobne ziarenka „mąki krystalicznej” po
siadają dokładnie taką samą symetrię, jaką
miała duża bryła krystaliczna. Z pyłu krysta
licznego pierwotny monokryształ nie może od
tworzyć się samorzutnie, ponieważ odległości
między molekułami, należącymi do oddziel
nych ziaren w „mące” są zbyt duże. Na tak
dużych odległościach wartość sił międzyczą-
steczkowych jest już znikoma. Wiązania moż
na do pewnego stopnia przywrócić, gdy pył
zostanie mocno sprasowany, a jeszcze lepiej,
gdy prasowaniu towarzyszy podgrzewanie. Na
tym właśnie polega proces formowania czę
ści maszyn metodą spiekania proszków.
14
Analogia między topnieniem a mieleniem
kryształu nie jest tak odległa, jak to może wy
dawać się na pierwszy rzut oka. Doświadcze
nie poucza nas, że nazbyt uproszczone jest
traktowanie cieczy jako zupełnie chaotyczne
go, skondensowanego zbioru molekuł. Cechą,
która upodabnia ciecz do zmielonego kryszta
łu, jest, stwierdzona doświadczalnie, częścio
wa krystaliczność każdej cieczy. Stopień kry-
staliczności cieczy silnie zależy od jej tem
peratury i jest największy w temperaturze
nieco wyższej od temperatury topnienia. Cha
otyczny ruch termiczny molekuł w cieczy po
woduje, że w jej objętości powstają lokalne
zgęszczenia, w których molekuły uporządko
wane są w sposób przypominający struktury
< krystaliczne. Takie skupiska molekuł powsta
ją i rozpadają się bardzo szybko. Symetria
tych lokalnych obszarów krystalicznych w cie
czy jest często, choć nie zawsze, analogiczna
do tej, jaką posiada substancja w fazie kry
ształu. Te niestabilne ziarna „krystaliczne” w
cieczach są bardzo niewielkie, o wiele mniej
sze niż ziarna w najdrobniej zmielonym kry
sztale i zawierają od kilkudziesięciu do kilku
set molekuł. Nazywamy je agregatami lub —
„clusterami” (ang.
cluster
— grono, kiść).
Istnienie agregatów bardzo istotnie wpływa na
zachowanie się cieczy i powoduje, że teore
tyczny opis cieczy jest niezwykle trudny,
o wiele trudniejszy niż opis ciał krystalicz
nych i gazowych. Istnienie agregatów powo
duje, że najlepszymi modelami teoretyczny
mi cieczy są takie, które traktują ciecz jako
mieszaninę pary i drobno zmielonego kry
ształu.
Rolę agregatów w wodzie, które w tym
przypadku noszą nazwę eisbergów (z niem.
Eisberg
— góra lodowa), widać na przykła
dzie zmian gęstości wody w czasie jej ochła
15
i
dzania. Woda w czasie ochładzania, kurcząc
się, zwiększa swoją gęstość i na razie nic w
tym dziwnego, ale w temperaturze +4°C ma
gęstość maksymalną i przy dalszym jej ochła
dzaniu obserwujemy proces odwrotny (rys. 1).
Woda poniżej +4°C zaczyna się robić coraz
lżejsza, wypływa na powierzchnię zbiorników,
podczas gdy cieplejsza opada na dno. Powo
dem jest coraz większa ilość tworzących się
LÓ
D
W
ODA
Rys. 1. Wykres gęstości wody
q
w
funkcji temperatu
ry. Zagięcie krzywej gęstości między +4° i 0°C ozna
cza, że lód jest lżejszy od wody i nie tonie. Takie
zachowanie się wody zapobiega katastrofie termicznej
na Ziemi
w wodzie agregatów o strukturze lodu: ponie
waż gęstość lodu jest mniejsza od gęstości wo
dy (świadczy o tym m.in. pływanie lodu, pę
kanie butelek przy zamarzaniu), to woda o du
żym stopniu krystaliczności jest lżejsza od wo
dy nie uporządkowanej. Gdyby nie obecność
dużej ilości agregatów w wodzie, to zamarznię
ta woda opadałaby na dno, co spowodowało
16
by tworzenie się nowych powłok lodowych na
powierzchni i w konsekwencji zniszczenie ży
cia biologicznego w wodzie. Zresztą, życie zo
stałoby zniszczone nie tylko w zbiornikach
wodnych. Głębiej położone warstwy lodu nie
zdążyłyby stopnieć w ciągu lata i w czasie
kolejnej zimy zostałaby wymrożona woda nie
tylko w zbiornikach, ale również zawarta w
atmosferze. w formie pary. Wymrożenie pa
ry wodnej z atmosfery zniszczyłoby płaszcz
ochronny Ziemi i spowodowałoby szybkie wy-
promieniowanie ciepła w przestrzeń kosmicz
ną. Gdyby więc nie obecność w wodzie agre
gatów o strukturze lodu, to Ziemia bardzo
szybko zostałaby zamieniona w pustynię io-
dową i chociażby z tego tylko powodu życie
na Ziemi nie mogłoby istnieć. Życie na Zie
mi w obecnej jego formie jest zatem uzależ
nione od małego zagięcia krzywej gęstości wo
dy między +4°C i 0°C (patrz rys. 1).
Obecność w wodzie obszarów krystalicznych
powoduje, że jest ona jedną z najbardziej ta
jemniczych substancji. Dość wspomnieć o dzi
wnym zachowaniu się wody pod wpływem
pola magnetycznego. Każdy doskonale wie, że
wody magnes nie przyciąga, ale w wodzie
poddanej działaniu pola magnetycznego zu
pełnie inaczej przebiegają procesy biologiczne
i krystalizacyjne. Widać, że woda nie tylko
oddziaływa z polem magnetycznym, ale, co
więcej, długo jeszcze „pamięta”, że była kie
dyś w tym polu.
Zajmiemy się teraz zupełnie odmiennym
zjawiskiem. Powróćmy w tym celu jeszcze
raz do procesu topnienia kryształu. Wyobraź
my sobie molekuły umieszczone sztywno w
węzłach sieci krystalicznej; mimo że średnie
położenie tych molekuł jest określone przez
typ symetrii kryształu, ich udziałem są bez
ustanne drgania termiczne. Amplituda t>ch
2 Niezwykły stan m aterii...
17
Plik z chomika:
xevio
Inne pliki z tego folderu:
Tadeusz Burakowski - Poradnik inżyniera obróbka cieplna stopów żelaza.pdf
(56195 KB)
Perzyk M.- Odlewnictwo.pdf
(32395 KB)
Żurada J. - Sztuczne sieci neuronowe.pdf
(35283 KB)
Antoni Adamczyk - Niezwykły stan materii Ciekłe kryształy.pdf
(13193 KB)
Praca Zbiorowa - Poradnik galwanotechnika.pdf
(43079 KB)
Inne foldery tego chomika:
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin