Distinzione tra solidi cristallini e amorfi
Esistono due classi principali di solidi: cristallino e amorfo. Ciò che li distingue l’uno dall’altro è la natura della loro struttura a scala atomica. Le differenze essenziali sono visualizzate in Figura 2. Le caratteristiche salienti delle disposizioni atomiche nei solidi amorfi (chiamati anche vetri), al contrario dei cristalli, sono illustrate nella figura per le strutture bidimensionali; i punti chiave riportano alle strutture tridimensionali reali dei materiali reali., Anche incluso nella figura, come punto di riferimento, è uno schizzo della disposizione atomica in un gas. Per gli schizzi che rappresentano strutture di cristallo (A) e vetro (B), i punti solidi denotano i punti fissi su cui oscillano gli atomi; per il gas (C), i punti denotano un’istantanea di una configurazione di posizioni atomiche istantanee.
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Le posizioni atomiche in un cristallo presentano una proprietà chiamata ordine a lungo raggio o periodicità traslazionale; le posizioni si ripetono nello spazio in una matrice regolare, come in Figura 2A. In un solido amorfo, la periodicità traslazionale è assente. Come indicato nella Figura 2B, non esiste un ordine a lungo raggio. Gli atomi non sono distribuiti casualmente nello spazio, tuttavia, come sono nel gas in Figura 2C., Nell’esempio di vetro illustrato nella figura, ogni atomo ha tre atomi vicini alla stessa distanza (chiamata lunghezza del legame chimico) da esso, proprio come nel cristallo corrispondente. Tutti i solidi, sia cristallini che amorfi, presentano un ordine a corto raggio (scala atomica). (Quindi, il termine amorfo, letteralmente “senza forma o struttura”, è in realtà un termine improprio nel contesto dell’espressione standard amorfo solido.) L’ordine a corto raggio ben definito è una conseguenza del legame chimico tra gli atomi, che è responsabile della tenuta del solido insieme.,
Oltre ai termini solido amorfo e vetro, altri termini in uso includono solido non cristallino e solido vitreo. Il solido amorfo e il solido non cristallino sono termini più generali, mentre il vetro e il solido vitreo sono stati storicamente riservati a un solido amorfo preparato mediante raffreddamento rapido (tempra) di un fuso—come nello scenario 2 della Figura 3.
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La figura 3, che dovrebbe essere letta da destra a sinistra, indica i due tipi di scenari che possono verificarsi quando il raffreddamento causa la condensazione di un dato numero di atomi dalla fase gassosa alla fase liquida e quindi alla fase solida. La temperatura viene tracciata orizzontalmente, mentre il volume occupato dal materiale viene tracciato verticalmente., La temperatura Tb è il punto di ebollizione, Tf è il punto di congelamento (o fusione) e Tg è la temperatura di transizione vetrosa. Nello scenario 1 il liquido si congela a Tf in un solido cristallino, con una brusca discontinuità di volume. Quando il raffreddamento avviene lentamente, questo è di solito ciò che accade. A velocità di raffreddamento sufficientemente elevate, tuttavia, la maggior parte dei materiali mostra un comportamento diverso e segue la rotta 2 fino allo stato solido. Tf viene bypassato e lo stato liquido persiste fino a raggiungere la temperatura più bassa Tg e si realizza il secondo scenario di solidificazione., In un intervallo di temperatura stretto vicino a Tg, si verifica la transizione vetrosa: il liquido si congela in un solido amorfo senza brusca discontinuità di volume.
La temperatura di transizione vetrosa Tg non è così nettamente definita come Tf; Tg si sposta leggermente verso il basso quando la velocità di raffreddamento è ridotta. La ragione di questo fenomeno è la forte dipendenza dalla temperatura del tempo di risposta molecolare, che è grossolanamente indicato dai valori dell’ordine di grandezza mostrati lungo la scala superiore della Figura 3., Quando la temperatura viene abbassata al di sotto del Tg, il tempo di risposta per il riarrangiamento molecolare diventa molto più grande dei tempi accessibili sperimentalmente, in modo che la mobilità liquida (Figura 1, a destra) scompare e la configurazione atomica viene congelata in un insieme di posizioni fisse a cui gli atomi sono legati (Figure 1, a sinistra e 2B).
Alcuni libri di testo descrivono erroneamente gli occhiali come liquidi viscosi sottoraffreddati, ma questo in realtà non è corretto., Lungo la sezione del percorso 2 etichettato liquido in Figura 3, è la porzione che si trova tra Tf e Tg che è correttamente associata alla descrizione del materiale come liquido sottoraffreddato (sottoraffreddato significa che la sua temperatura è inferiore a Tf). Ma sotto Tg, nella fase di vetro, è un solido in buona fede (esibendo proprietà come la rigidità elastica contro il taglio)., Le basse pendenze dei segmenti della linea di cristallo e vetro della Figura 3 rispetto all’elevata pendenza della sezione liquida riflettono il fatto che il coefficiente di espansione termica di un solido è piccolo rispetto a quello del liquido.
