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:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin