AMORFNI MATERIJALI
Sadržaj 1.
Pojam amorfnosti .........................................................................................................................3 1.2. Pojam viskoznosti .....................................................................................................................5 1.3. Nastajanje amorfnog stanja.......................................................................................................5 1.4. Primeri amorfnih materijala .....................................................................................................6 1.4.1. Staklo .................................................................................................................................6 1.4.2. Amorfni tanki filmovi i premazi .......................................................................................10 1.4.3.
Nanostrukturni materijali ............................................................................................11
2. Zaključak ........................................................................................................................................14 3. Literatura .......................................................................................................................................15
Slika 1. Primeri amorfnih materijala ....................................................................................................4 Slika 2. Šematski prikaz uređenja atoma u kristalnom i amorfnom sistemu .......................................4 Slika 3. V-T dijagram ............................................................................................................................5 Slika 4. Staklene jabuke .......................................................................................................................7 Slika 5. Razlika metala i metalik stakla ................................................................................................9
2
1. Pojam amorfnosti Amorfni materijali postoje u prirodnim i vestačkim sistemima. Trunke preloma zemljotresa1, Tanki filmovi2 i metalik stakla3 su naizgled različiti materijali, ali su slični jer poseduju amorfnu strukturu. Amorfnost predstavlja osobinu materijala koja se odlikuje nedostatkom uređenog rasporeda atoma. Sa atomske tačke gledišta struktura amorfnih materijala je veoma slična strukturi tečnosti. Amorfne supstance imaju određenu uređenost čestica samo na kradim rastojanjima, ali ne postoji uređenost u celom prostoru. Kod kristalnih supstanci postoji pravilnost u prostoru u rasporedu čestica, i jačine veza između čestica su jednake, samim tim, pri zagrevanju kristala, veze između čestica se raskidaju naglo na određenoj temperaturi, i kristali imaju tačno određenu temperaturu topljenja. S druge strane kod amorfnih supstanci rastojanja između čestica nisu jednake u svim delovima, zbog toga nisu jednake ni privlačne sile između pojedinih čestica, i pri zagrevanju amorfnih supstanci ne postoji nagli prelaz iz čvrstog u tečno stanje na određenoj temperaturi, ved pri zagrevanju prvo omekšavaju, a zatim se tope u određenom temperaturnom intervalu. Čestice kod amorfnih supstanci su raspoređene haotično i u čvrstom stanju, sa tim što je pokretljivost čestica u tečnom stanju znatno veda. Iako slomovi na zemljotresnim prelomima i deformacije na metalik staklima deluju kao različiti fenomen, oni dele zajedničku osobinu: reon gde se desio slom ili deformacija je popunjen amorfnom materijom. Amorfne materije se sastoje iz čestica (atoma, granula, mehurida ili molekula) koje su tako raspoređene da su centri njihovih masa neuređeni; njihova struktura se u suštini ne razlikuje od tečnosti. Koloidi i emulzije, stakla za prozore, gusti polimeri, silikonske ploče, pene, pa čak i biološka tkiva su ostali primeri amorfnih materijala.
1
http://web.physics.ucsb.edu/~complex/research/amorphous.html#AmorII http://www.phi.com/surface-analysis-applications/thin-films-and-coatings.html 3 “Glassy Steel”, Oak Ridge National Laboratory press release, May 2005 2
3
Slika 1. Primeri amorfnih materijala
Na slici 2 je predstavljena uređenost atoma na malom rastojanju za kristalnu (levo) I za amorfnu supstancu (desno), gde se primeduje razlika između dve pomenute strukture.
Slika 2. Šematski prikaz uređenja atoma u kristalnom i amorfnom sistemu
Vidi se da je u oba slučaja svaki atom okružen sa tri najbliža suseda, odnosno da atomi nisu nasumično raspoređeni u prostoru. Prema tome, amorfno stanje, kao i kristalno stanje karakteriše visoki stepen lokalne korelacije. Atomi se nalaze na približno istoj udaljenosti, a i uglovi među njima su skoro isti, što je posledica postojanja hemijskih veza koje drže atome na okupu u čvrstim sistemima.
4
1.2. Pojam viskoznosti Viskoznost se definiše kao sila po gradijentu brzine koji je upravan na silu:
Amorfne suspstance imaju mnogo veću viskoznost od tečnosti i mogu zadržati jedan oblik dovoljno dugačak period vremena. Vrednosti viskoznosti za određene supstance: Vazduh …………………………. 0.000018
Voda ……………………………… 0.001
Motorno ulje ………………… 0.1 - 0.6
Glicerin ……………………………… 0.9
Prozorsko staklo (515oC).. 1012
Prozorsko staklo (800oC) …… 104
1.3. Nastajanje amorfnog stanja Karakteristika amorfnih materijala (u ovom slučaju ćemo uzeti konkretan primer stakla), da nemaju određenu kristalnu strukturu doprinosi činjenici da se stakla smatraju vrlo viskoznim tečnostima. Ali, ipak samo neke tečnosti mogu formirati stakla, pa da bi se uvidela razlika mora se detaljnije posmatrati struktura stakla. Na visokim temperaturama stakla su tečnosti kao i svake druge. Prilikom hlađenja volumen im se smanjuje zbog preuređenja atoma u niže energetsko stanje sve dok se ne postigne određena temperatura Tg, koju nazivamo temperatura ostakljivanja. Ispod te temperature volumen se i dalje smanjuje, ali sada samo zbog manjih vibracija atoma oko svojih položaja. Taj odnos volumena i temperature prikazan sa V-T dijagramom na slici 2. Prelaz se dešava kad sastav ne može dovoljno brzo odgovoriti na hlađenje razmeštanjem atoma. Jasno se vidi da ako je hlađenje sporije, atomi se mogu razmeštati na nižim temperaturama, sve dok n počnu da međusobno smetaju jedan drugome. Atomi se ipak, još i tada razvrstavaju iako jako sporo,
zbog čega staklo ponekad nazivamo
jako viskoznom tečnošću. Prirodno je da postoji neka donja granica brzine hlađenja ispod koje atomi Slika 3. V-T dijagram
imaju dovoljno vremena za kristalizaciju.
5
1.4. Primeri amorfnih materijala Primeri nekih materijala čije čestice nisu uređene kao kod kristala, odnosno, primeri amorfnih materijala su: staklo, metalik staklo, gelovi, tanki filmovi i nanostrukturni materijali. 1.4.1. Staklo Stаklo je homogenа аmorfnа, izotropnа, providnа, čvrstа i krtа mаterijа u metаstаbilnom stаnju nаstаlа hlаđenjem i zаgrevаnjem. Sаdrži nаjčešće silicijumski pesаk, sodu, okside аlkаlnih metаlа i krečnjаk. To je biološki neаktivni mаterijаl. Ono je trаnspаrentno providno zа vidljivo svetlo (postoji i neprovidno stаklo). Obično stаklo ne propuštа svetlo mаlih tаlаsnih dužinа jer sаdrži primese. Prvo stаklo je otkriveno oko 3000. godine p.n.e. u Egiptu. U početku tehnologijа nije omogućаvаlа proizvodnju čistogа stаklа i upotrebljаvаlo se uglаvnom zа proizvodnju ukrаsа. Stаklo se nаlаzilo i u prirodi i stvаrаno je iz vulkаnizаcijа. Proizvodi se zаgrevаnjem i topljenjem u stаklаrskoj peći. Rezultаt je аmorfnа mаterijа. Može dа se formirа u rаzličite oblike. Stаklo je jаko krto i rаzbijа se nа oštre krhotine. Ove osobine mogu biti modifikovаne dodаvаnjem primesа- nаjčešće oksidа metаlа prilikom topljenjа. Stаklo je pre svegа sаstаvljeno od silicijumskog peskа – silicijum oksidа koji imа temperаturu topljenjа od 2.000° C i zbog togа se prilikom topljenjem dodаju аlkаlne tvаri koje snižаvаju temperаturu tаljenjа. Zbog togа što ovo snižuje odolnost od vode dodаje se i oksid krečnjаkа koji ovo poboljšаvа. Od osnovnih sirovinа zа izrаdu stаklа se pripremi smesа u prаšku kojа se tаli u stаklаrskoj peći. Dodаju se primese koje fаrbаju stаklo, čiste gа ili gа čine neproglednim. Tekući mаterijаl se dаlje prerаđuje duvаnjem stаklа, presovаnjem, livenjem stаklа ručno ili mаšinskim putem i izvlаčenjem stаklа. Ovаko nаstаli polutovаri se mogu dаlje prerаđivаti n. p. r. brušenjem, glаčаnjem i sl. Stаklo se može ukrаšаvаti i ukrаšаvаnje stаklа je povereno likovnjаcimа koji imаju sаvršenu stručnu pripremu u prerаdi stаklа. Izlаznа tаčkа je umetnički crtež koji se prevodi u definitivni tehnički predlog i osnovnu tehničku formu novog proizvodа.
6
Slika 4. Staklene jabuke
U pedimа gde se mаterijаl prerаđuje u rаžerаvljenom stаnju uz toplotu, tаko je poznаto npr. kidаno stаklo. Tu dekor nаtrаje tаko dа se stаklo u rаzžerаvljenom stаnju uroni u vodu i ono popucа i stvаrа efekte а potom se ponovo zаgrevа dа bi površinа postаlа glаtkа. Mrаmorovаno stаklo nаstаje kаdа se vrude stаklo obаvijа mаlim komаdidimа stаklа u boji koji se u jezgro zаtаve. Jednа od mogudnosti je obаvijаnje jezgrа stаklenim nitimа u boji. Slojevito stаklo je tehnikа u pedimа kojа rаčunа sа nekoliko slojevа stаklа u boji koje se zаtim tehnikom brušenjа u hlаdnom stаnju dаlje prerаđuju. Brušenje je tehnikа prerаde stаklа u hlаdnom stаnju i mogu se brusiti rаzne vrstа stаklа kаo olovno, bojeno i sl. Dаljа tehnikа je slikаnje stаklа koje se može izvoditi u toplom i hlаdnom stаnju i slikа se bojаmа koje nisu ništа drugo ved lаko rаstopljivo stаklo u koje se dodаju metаlni oksidi. Ecovаnje je tаkođe tehnikа zа dekorаciju stаklа u hlаdnom stаnju. Uzorci se ecuju u kupki sа kiselinom fluorovodoničkom kojа rаspuštа stаklo i intenzitet i dubinа uzorkа zаvisi od koncentrаcije kiseline i vremenа ecovаnjа. Poznаtа tehnikа je i mаtirаnje stаklа. Mаtne površine se mogu stvаrаti ecovаnjem sа kiselinаmа ili pаstаmа ili peskаrenjem u kojem se snаžnom strujom peskа deluje nа stаklo dа bi se stvorile mаtirаne površine а može se konаčno i mаtirаti stаklenа površinа brušenjem pomodu rаznih mаsа. U prerаdu stаklа spаdа i metаlizirаnje stаklа gde se tekudi metаli nаnose slično kаo kod oslikаvаnjа stаklа. Trebа redi i o znаčаju primeni stаklа u monumentаlnoj umetnosti- u аrhitekturi grаđevinа i prostorа. Bojeni prozori su slike koje se sаstаvljаlu iz bojenog stаklа koje
7
pored osnovne funkcije dа propuštаju svetlo imаju i rаzne estаtske funkcije. Zidne slike iz bojenih stаkаlа su osnovi zа mozаike. Jedаn od nаčinа prerаde stаklа je duvаnje stаklа. Ručnа izrаdа se sprovodi tаko dа stаklаr iz pedi uzimа sа cevčicom od oko 15 mm i dužine 120- 150 cm nа kojoj je drveni rukohvаt i metаlni pisаk, mаnju količinu stаklene mаse koju porаvnа i izduvа i ostаvi je mаlo dа se ohlаdi i uzimа dаlju količinu stаklene mаse koju izrаvnа u specijаlnom аlаtu i duvа i formirа okretаnjem i nаjzаd se proizvod odeli od cevčice i odnosi u ped zа hlаđenje. Kаsnije se proizvod još jedаn put zаgreje i dorаđuje. Kod mаšinske proizvodnje duvаnje stаklа se izvodi tаko dа rаde mehаnizmi i poluаutomаti ili punom аutomаtizovаnom proizvodnjom dа bi se dobile odgovаrаjude forme. Obа ovа principа su prisutnа kod proizvodnji sijаlicа ili flаšа. 1.4.1.1. Metalk staklo Specijalne legure, nazvane metalik stakla, imaju atribute metala kao što je čvrstoda i električna provodnost, a ujedno imaju i prilagodljivost plastike, to im pruža vrlo važnu ulogu u mnogim industrijskim poljima nastojedih godina. Ove legure mogu biti nekoliko puta jače od najboljeg industrijskog čelika, ali se lako oblikuju na temperaturama bliskim temperaturama toplenja. Metalna stakla imaju nedostatak uređene kristalne strukture uobičajnih metala, umesto nje, atomi u metalik staklu su haotično uređeni, zbrkani nalik klikerima u kutiji, umesto poređanih jaja u kartonu. Metalik stakla nemaju granična zrna – slabe tačke u regularnim metalima, prouzrokovane defektima kristalne strukture koja ograničava njihovu fizičku snagu. Ovo pruža metalnim staklima vedu otpornost na pritisak kao i na koroziju. Jedna patentovana amorfna legura, Vitreloy, ima snagu koja je skoro duplo veda od titanijuma.
8
Slika 5. Razlika metala i metalik stakla
9
1.4.2. Amorfni tanki filmovi i premazi Taniki filmovi i premazi imaju skoro neograničen opseg korisnosti, koje uključuju: obezbeđivanje antistatičih osobina4, otpornost na koroziju, redukciju habanja, kao i proizvodnju optičkih uređaja, ogledala, poluprovodničkih uređaja, magnetskih medija i omota za hranu. Amorfne faze su vazni delovi tankih filmova, koji su čvrsti slojevi debljine nekoliko nanometara do nekoliko desetina mikrometara koji su naneseni na supstrat. Za opisivanje mikrostrukture keramike i tankih filmova su razvijeni strukturni modeli zona kao funkcije homologne temperature Tk koja predstavlja odnos temperature taloženja i temperature topljenja. Prema ovim modelima potreban (ali ne i dovoljan uslov) za pojavljivanje amorfne faze je da Tk mora biti manje od 0,3 tj. da temperatura taloženja mora biti niza od 30% temperature topljenja. Za vede vrijednosti, površinska difuzija izdvojenih atomskih vrsta bi omogudila formiranje kristala sa visokom uređenoscu atoma. Što se tiče specifične primene, amorfni metalni slojevi su igrali važnu ulogu u diskusiji o navodnoj superprovodljivosti amorfnih metala. Danas se optički pokrivači koji se prave od TiO2, SiO2, Ta2O5 itd. i njihove kombinacije se vedinom sastoje od amorfnih faza ovih komponenata. Tanki amorfni filmovi se takođe primjenjuju za razdvajanje gasa kod slojeva membrana. Uglavnom su napravljeni od tankog sloja slojeva SiO2 koji su debeli nekoliko nm koji služe kao izolator iznad provodnog kanala MOSFET-a. Takođe, hidrogenizovani amorfni silicijum tj. a-Si:H ima tehničku primenu u solarnim delijama na bazi tankih filmova. Kod a-Si:H nedostatak uređenosti između atoma silicijuma se javlja zbog prisustva vodonika u vidu nekoliko procenata. Pojavljivanje amorfnih faza je takođe vazno u proučavanju rasta tankih filmova. Rast polikristalnih filmova često počinje amorfnim slojem, čija debljina može biti samo nekoliko nm. Najbolje ispitan primjer je tanki polikristalni silicijumski film gdje je početni amorfni sloj posmatran u mnogim ispitivanjima. Komadi polikristala su identifikovani pomodu transmisionog elektronskog mikroskopa i uočeno je da rastu iz amorfnog sloja nakon što amorfni sloj dostigne određenu debljinu, čija precizna vrijednost zavisi od temperature izdvajanja, pritiska i raznih drugih parametara. Ovaj fenomen je interpretiran u okviru Ostvladovih pravila o stanjima koje predviđa formiranje manje stabilnih faza koje tokom vremena kondenzacija prelaze u stabilnije oblike. Eksperimentalna proučavanja ovog fenomena zahtevaju određeno stanje površine supstrata i njegovu gustinu nakon koje se stvara tanki film. 4
Brzo rasipanje statičkog elektriciteta
10
1.4.3. Nanostrukturni materijali
Nanomaterijali su materijali sa strukturnim jedinicama velicine 0.000000001m. Nanotehnologija je istrazivanje materijala sa morfoloskim znacajem na nano skali, a posebno onih koji imaju posebna svojstva, koja proizlaze iz njihovih nano dimenzija. Nano level se obicno definise kao manji od desetine mikrometra u barem jednoj dimenziji, iako se taj termin ponekad koristi za materijale manjih od jednog mikrometra. Važan aspekt nanotehnologija je znatno povecanje razmera površine po volumenu prisutan u mnogim nano materijalima, koji omogudava novo kvantno mehaničko dejstvo. Jedan primer je "kvantna velicina dejstva", gde se elektronska svojstava čvrste materije menjaju sa velikim smanjenjem veličine čestica. Ovaj efekat nije u igri ako odete iz makro u mikro dimenzije. Međutim, to postaje izraženije kada se postigne veličina u nm. Odredjen broj fizičkih osobina takodje se menja sa promenom iz makroskopske dimenzije. Novitet mehaničkih svojstava nanomaterijala je predmet nano-mehaničkih istraživanja. Nanomaterijali imaju puno vedu povrsinu po jedinici mase u poredjenju s vedim cesticama, tako oni sa novim karakteristikama koje bi mogle uključivati povedane snage, hemijsku reaktivnost, provodljivost i elektricne osobine. Rasuti materijal mogu pokazati nova svojstava kad postanu nanocesticni i ne postoji povecanje koriscenje tih novih svojstava. Dva glavna sastojka uzrokuju svojstva nanomaterijala razlikujuci ih značajno od rasutog materijala: povecana relativna povrsina, i kvantni efekti. Uz konstantne mase smanjenje veličine čestica rezultuju promenu ukupne povrsine. Rezultanta vede površine uzrokuje površinska hemija koja postaje sve važnija, stoga manje čestice mogu pokazivati vedu biološku aktivnost podatoj masi u poredjenju sa vecim cesticama. Drugim recima, ogromna kolicina reaktivnih molekulskih vrsta nalazi se samo na povrsini nerastvornih cestica i cestica jezgra (preostale nakon raspada rastvorne komponente) moze biti konacano metricko određivanje nepovoljnih ishoda, iako ovim molekulima mogu dodti samo mali deo cesticne mase.
11
1.4.3.1. Primena nanomaterijala Proizvodnja nanomaterijala je konstantno u porastu u oblasti medicine, industrije i nauke. Ovi materijali su projektovani tako da imaju dimenzije manje od 100 nm (nanometara) i veoma jedinstvena svojstva koja su rezultat tako male veličine. Kada se govori o nanomaterijalima, pored svih njihovih pogodnosti, kvaliteta i korisnosti, ne može a da se ne pomene problem uticaja na životnu sredinu. Nanomaterijali, obzirom da su napravljeni veštačkim putem, imaju svojstvo da neke od štetnih materija ispuštaju u okolinu. Pod štetnim materijama uglavnom se misli na ispuštanje jona. Studija koju su sproveli istraživači iz Kentakija (SAD), donekle je dala odgovor na na tu dilemu. U studiji ispitivanja tima sa Univerziteta Kentacky, koju je finansirala U.S. Environmental Protection Agency, utvrđeno je da kišne gliste apsorbuju nanočestice bakra prisutne u zemljištu. Jedan od ključnih koraka u prihvatanju nanomaterijala jeste otkrivanje da li se metalni joni propuštaju kroz nanomaterijale ili ih sami nanomaterijali oslobađaju. Upotrebom rengen analize, istraživači su uspeli da naprave razliku između nanočestica bakra i bakarnih jona, ispitivanjem stanja oksidacije bakra u tkivima kišnih glista. Mnogi proizvodi koji su napravljeni od nanomaterijala, nakon upotrebe oslobodide nanočestice ili kao posledicu redovnog korišdenja ili kroz bacanje upotrebljenog proizvoda. Odbačeni nanodelovi mogu da se vrate u prirodu ili putem vode ili putem zemljišta. Nakon toga, svi ti sastojci ulaze u redovni ciklus, jer vode i povrde raste iz zemlje, a vodu pijemo i tako te čestice unosimo u svoj organizam. Prema istraživačima, još uvek nije jasno kako nanomaterijali deluju u okruženju, zbog nedostatka naučnih istraživanja. U svakom slučaju, polemika je da takvi materijali, nastali veštačkim putem, mogu štetiti ljudima i životinjama. Istraživači sada tvrde da studije, koje su u toku, imaju za zadatak da sprovode transformaciju, bioraspoloživost, trofički transfer i neželjena dejstva napravljenih nanomaterijala na kopnene ekosisteme. Nanomaterijali se uveliko koriste u raznim isntrumentima i robi široke potrošnje. Presvlake za solarne delije uglavnom su napravljene od nanomaterijala. Njihova uloga je svakako bitna u daljem razvoju tehnologija i samog čovečansta, ali je bitno i očuvati okolinu od potencijalnog štetnog uticaja ovih materijala. Dalja istraživanja pronadide rešenje za taj problem. 12
1.4.3.2. Nanomaterijali u praksi 1.4.3.2.1. Nano roboti Nano roboti velicine 0.000000001 metara do sada najvise korisceni u medicini, pronalaze, unistavaju kancerogene celijie, toksicne materije, prate I kontrolisu njihvu brojnost. Mogucnost ovih robota je velika, kako je sada moguce I kontrolisati njihovo kretanje unutar organizma pomocu polyphyletic-nih bakterija aktivnih na magnetno polje. Pomocu 6 ovakvih bakterija koje bi nosile 1 nano robota bilo bi moguce kontrolisano kretanje kroz organizam i prikupljanje potrebnih podatka.
1.4.3.2.2. Svemirski lift Glavni problem slanja bilo kakvog objekta van zemlje je bilo kako pobediti gravitaciju zemlje, jer najveca energija se trosila na borbu sa silom zemljine teze. Medjutim pronalazenje nano vlakan ugljenika smatra se da je moguce da se izgradi lift koj bi nosio platformu van gravitacionog polja. Gradjenje takvog lifta omogucile su nano cevi ugljenika sirine 4 a duzine 16 atoma, dovoljno cvrste da izdrze rotacionu silu zemlje, svoju tezinu. Naime ove cevi izgradjene od dva sloja, u poprecnom preseku izgledali bi kao koncentricni krugovi, dovoljno su jake da izgrade konstrukciju visoku 5000-6000 kilometara, kao dobri provodnici omogucili bi odlican prenos struje do krajnje jedinice u van gravitacionom polju.
13
2. Zaključak Amorfni materijali, (često zvani metalik stakla), sastoje se od metala sa neuređenom atomskom strukturom. Mogu biti duplo snažniji od čelika, a zbog svoje neuređene strukture, oni provode energiju efektivnije od metalnih kristala, koji ima svoje slabosti. Amorfni metali se prave brzim hlađenjem metala pre nego što se postroji u kristalni šablon. Amorfni materijali mogu biti slededa generacija vojnih oklopa. Sa ekološke strane, amorfni materijali imaju elektronska svojstva koja unapređuju efikasnost strujne mreže za do 40%, i time šredi na hiljade tona fosilnih goriva. Za sada je cena proizvodnje amorfnih materijala mnogo skuplja od običnih metaka, što ograničava široku adaptaciju u industrijama. Ali pristalice amorfnih materijala veruju da de trošak proizvodnje ovih legura verovatno padati kako novi materijali bivaju otkriveni, a proizvodnja postrojenja povedana.
14
3. Literatura 1. L. H. Van Vlack : “Elements of Materials Science and Engineering”, 6th edition, Addison-Wesley, Reading, 1989; 2. http://web.physics.ucsb.edu/~complex/research/amorphous.html#AmorII 3. http://www.kidela.com/resources/metallic-glasses-strength-from-disorder/ 4. http://www.robaid.com/tech/bulk-metallic-glasses-material-is-strong-as-steel-andmoldable-as-plastic.htm 5. http://lifeboat.com/ex/10.futuristic.materials 6. http://www.phi.com/surface-analysis-applications/thin-films-and-coatings.html
15
