Hình 1.8 Mặt phẳng (111) trong cấu trúc mặt tho
1.6. Giới thiệu về vật liệu vơ định hình 1 Vật liệu vơ định hình
1.6.1. Vật liệu vơ định hình
Các loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su, thủy tinh kim loại dạng khối (bulk metallic glasses), các chất keo dường như là các hệ thống chất có cấu tạo hồn toàn khác biệt, nhưng thực tế chúng đều sở hữu cùng một cấu trúc vơ định hình. Vật liệu vơ định hình khá phổ biến và có mặt mọi nơi trong tự nhiên cũng như trong các hệ thống kỹ thuật. Nhiều chất khác cũng có cấu trúc vơ định hình như nhũ tương, kính cửa sổ, polime và thậm chí cả các mơ sinh học.
Vật liệu vơ định hình là vật liệu có các ngun tử được sắp xếp một cách bất trật tự không theo một quy tắc nào, nhưng về mặt thực chất, nó vẫn mang tính trật tự nhưng trong phạm vi rất hẹp, gọi là trật tự gần (Chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử gọi là chất rắn tinh thể). Ở trạng thái vơ định hình những nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao bọc một cách ngẫu nhiên nhưng xếp chặt xung quanh nó. Khi xét một nguyên tử làm gốc thì bên cạnh nó với khoảng cách d dọc theo một phương bất kỳ (d là bán kính ngun tử) có thể tồn tại một nguyên tử khác nằm sát với nó, nhưng ở khoảng cách 2d, 3d, 4d... thì khả năng tồn tại của nguyên tử loại đó giảm dần. Cách sắp xếp như vậy tạo ra trật tự gần. Vật rắn vơ định hình được mơ tả giống như những quả cầu cứng xếp chặt trong túi cao su bó chặt một cách ngẫu nhiên tạo nên trật tự gần (Theo mơ hình quả cầu rắn xếp chặt của Berna và Scot) [25].
Về mặt cấu trúc có thể xếp chất rắn vơ định hình vào trạng thái lỏng: khi một thể lỏng bị đông đặc hết sức đột ngột, tính linh động của hạt bị giảm mạnh, độ nhớt tăng vọt nhanh, các mầm kết tinh chưa kịp phát sinh và cấu trúc của thể lỏng như bị “đông cứng lại”. Thể lỏng đã chuyển sang thể vơ định hình. Trạng thái vơ định hình khác trạng thái lỏng ở một điểm nhỏ: các hạt không dễ dàng di chuyển đối với nhau hay độ cứng (điều này là điểm giống nhau duy nhất với chất rắn tinh thể). Tất cả các tính chất khác nó giống như thể lỏng vì cấu trúc của nó là cấu trúc của thể lỏng, đặc trưng bởi sự mất trật tự của hạt.
Có thể phân biệt dễ dàng vật thể vô định hình với vật thể kết tinh bằng những đặt điểm dễ quan sát của trạng thái lỏng mà vật thể vơ định hình mang theo:
- Tính đẳng hướng: các tính chất vật lý của nó như nhau theo các phương khác nhau.
- Phân biệt bằng đường nóng chảy: chất rắn vơ định hình khơng có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định. Khi bị nung nóng, chúng mềm dần và chuyển sang thể lỏng.
Ngồi ra cũng có thể xác định vật liệu vơ định hình thơng quan giản đồ XRD hay TEM. Với giản đồ XRD, vật liệu vơ định hình khơng xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng, cịn với ảnh TEM có thể nhận thấy rõ ràng vật liệu vơ định hình thơng qua sự sắp xếp của các lớp nguyên tử (hình 1.9).
Các vật rắn vơ định hình được dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghệ khác nhau. Thuỷ tinh dùng làm các dụng cụ quang học (gương, lăng kính, thấu kính....), các sản phẩm thuỷ tinh mĩ nghệ và gia dụng,... Hiện nay, nhiều vật rắn vơ định hình có cấu tạo từ các chất polime hay cao phân tử (ví dụ: các loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su,...), do có nhiều đặc tính rất quý (dễ tạo hình, khơng bị gỉ hoặc bị ăn mòn, giá thành rẻ,...), nên chúng đã được dùng thay thế một số lượng lớn các kim loại (nhôm, sắt....) để làm các đồ gia dụng, tấm lợp nhà, ống dẫn nước, thùng chứa, các chi tiết máy, xuồng cứu hộ, nhà mái vòm…