solide amorphe

Distinction entre les solides cristallins et amorphes

Il existe deux classes principales de solides: cristallins et amorphes. Ce qui les distingue les uns des autres, c’est la nature de leur structure à l’échelle atomique. Les différences essentielles sont présentées à la Figure 2. Les caractéristiques saillantes des arrangements atomiques dans les solides amorphes (également appelés verres), par opposition aux cristaux, sont illustrées dans la figure pour les structures bidimensionnelles; les points clés portent sur les structures tridimensionnelles réelles des matériaux réels., Également inclus dans la figure, en tant que point de référence, est un croquis de l’arrangement atomique dans un gaz. Pour les croquis représentant des structures de Cristal (A) et de verre (B), les points solides désignent les points fixes autour desquels les atomes oscillent; pour le gaz (C), les points désignent un instantané d’une configuration de positions atomiques instantanées.

les positions atomiques dans un cristal présentent une propriété appelée ordre à longue portée ou périodicité de translation; les positions se répètent dans l’espace dans un tableau régulier, comme sur la Figure 2a. dans un solide amorphe, la périodicité de translation est absente. Comme l’indique la Figure 2B, il n’y a pas d’ordre à longue portée. Les atomes ne sont cependant pas répartis aléatoirement dans l’espace, comme ils le sont dans le gaz de la Figure 2c., Dans l’exemple de verre illustré sur la figure, chaque atome a trois atomes les plus proches voisins à la même distance (appelée longueur de liaison chimique) de celui-ci, tout comme dans le cristal correspondant. Tous les solides, cristallins et amorphes, présentent un ordre à courte portée (échelle atomique). (Ainsi, le terme amorphe, littéralement  » sans forme ni structure”, est en fait un terme abusif dans le contexte de l’expression standard solide amorphe.) L’ordre à courte portée bien défini est une conséquence de la liaison chimique entre les atomes, qui est responsable du maintien du solide ensemble.,

en plus des termes solide amorphe et verre, d’autres termes utilisés incluent solide non cristallin et solide vitreux. Solide amorphe et solide non cristallin sont des termes plus généraux, tandis que le verre et le solide vitreux ont toujours été réservés à un solide amorphe préparé par refroidissement rapide (trempe) d’une masse fondue—comme dans le scénario 2 de la Figure 3.

La Figure 3, qui doit être lue de droite à gauche, indique les deux types de scénarios qui peuvent se produire lorsque le refroidissement provoque la condensation d’un nombre donné d’atomes de la phase gazeuse dans la phase liquide puis dans la phase solide. La température est tracée horizontalement, tandis que le volume occupé par le matériau est tracé verticalement., La température Tb est le point d’ébullition, Tf est le point de congélation (ou de fusion) et Tg est la température de transition vitreuse. Dans le scénario 1, le liquide gèle à Tf en un solide cristallin, avec une discontinuité brutale en volume. Lorsque le refroidissement se produit lentement, c’est généralement ce qui se passe. À des vitesses de refroidissement suffisamment élevées, cependant, la plupart des matériaux présentent un comportement différent et suivent la voie 2 jusqu’à l’état solide. Tf est contourné, et l’état liquide persiste jusqu’à ce que la température inférieure Tg soit atteinte et que le second scénario de solidification soit réalisé., Dans une plage de température étroite proche de Tg, la transition vitreuse se produit: le liquide gèle en un solide amorphe sans discontinuité brusque de volume.

la température de transition vitreuse Tg n’est pas aussi fortement définie que Tf; Tg se décale légèrement vers le bas lorsque la vitesse de refroidissement est réduite. La raison de ce phénomène est la forte dépendance de la température du temps de réponse moléculaire, qui est grossièrement indiquée par les valeurs d’ordre de grandeur indiquées le long de l’échelle supérieure de la Figure 3., Lorsque la température est abaissée en dessous de Tg, le temps de réponse pour le réarrangement moléculaire devient beaucoup plus grand que les temps expérimentalement accessibles, de sorte que la mobilité liquide (Figure 1, à droite) disparaît et la configuration atomique devient figée dans un ensemble de positions fixes auxquelles les atomes sont liés (Figures 1, à gauche et 2B).

certains manuels décrivent à tort les verres comme des liquides visqueux sous-refroidis, mais cela est en fait incorrect., Le long de la section de la route 2 marquée liquide sur la Figure 3, c’est la partie située entre Tf et Tg qui est correctement associée à la description du matériau comme liquide sous-refroidi (sous-refroidi signifiant que sa température est inférieure à Tf). Mais en dessous de Tg, dans la phase de verre, c’est un solide de bonne foi (présentant des propriétés telles que la rigidité élastique contre le cisaillement)., Les faibles pentes des segments de ligne de cristal et de verre de la Figure 3 par rapport à la pente élevée de la section de liquide reflètent le fait que le coefficient de dilatation thermique d’un solide est faible par rapport à celui du liquide.