Language
Country/Area
No result found
التزجج السحري: هل تعرف ما هي درجة حرارة التزجج؟
في حياتنا اليومية، نتعامل مع مجموعة متنوعة من المواد الزجاجية، ولكن القليل من الناس يفكرون في العلم وراء هذه المواد. الزجاج مادة مميزة ذات خصائص تحول فريدة، خاصة أنها تتغير من حالة إلى أخرى. تسمى هذه الظاهرة بالنقل الزجاجي، أو التزجج، وهي عملية تدريجية وقابلة للعكس تحدث في المواد غير المتبلورة من الحالة "الزجاجية" الصلبة والهشة إلى الحالة اللزوجة مع زيادة درجة الحرارة إلى الحالة السميكة أو المطاطية.
تعتبر عملية تحويل الزجاج ظاهرة غامضة لأنه حتى في نطاق درجة الحرارة الذي يصل إلى 500 كلفن، فإن هذا التحول لا يسبب تغييرات كبيرة في بنية المادة.
تعد درجة حرارة التحول الزجاجي Tg معلمة مهمة تصف نطاق درجة الحرارة لهذا التحول. تكون درجة الحرارة هذه دائمًا أقل من نقطة الانصهار Tm للحالة البلورية لأن الزجاج هو في الأساس حالة طاقة أعلى. العديد من المواد البلاستيكية الصلبة، مثل البوليسترين والبولي ميثيل ميثاكريلات، عادةً ما يكون Tg حوالي 100 درجة مئوية. وهذا يعني أنها تظل صلبة تحت درجة الحرارة هذه وتصبح أكثر ليونة ومرونة فوق درجة الحرارة هذه.
إن استخدام اللدائن المطاطية مثل البولي إيزوبرين والبولي أيزوبيوتيلين هو العكس تمامًا، حيث يتم استخدام هذه المواد في حالة أعلى من Tg، حيث تبدو ناعمة ومرنة. يمنع هذا الهيكل المتقاطع التدفق الحر للجزيئات، لذلك يمكن للمطاط الحفاظ على شكل ثابت في درجة حرارة الغرفة.
على الرغم من أن الخصائص الفيزيائية للتزجج تتغير، إلا أن التزجج لا يعتبر تغيرًا طوريًا، بل هو ظاهرة ديناميكية تعتمد على التاريخ الحراري.
في العديد من المواد، عندما يتم استبدال عملية التجميد التقليدية بالتبريد السريع، يتم تجنب انتقال الطور البلوري ويتم تشكيل الحالة الزجاجية مباشرة. تتمتع هذه المواد بقدرات على تشكيل الزجاج، والقدرة على البقاء في حالة غير متبلورة عند تبريدها بسرعة. ترتبط هذه الخاصية بتركيب المادة ويمكن التنبؤ بها من خلال نظرية الصلابة. والسؤال التالي هو: هل يمكن لبنية المادة التي تظل في الحالة الزجاجية أن تسترخي بمرور الوقت؟
يتغير هيكل الزجاج ببطء ضمن نطاق التحول الخاص به. وحتى في درجات الحرارة المنخفضة، سيكون تكوين الزجاج مستقرًا نسبيًا، بينما يميل هيكل العديد من المواد إلى حالة من التوازن الحراري بعد قدر معين من التسخين أو التبريد. توضح هذه العملية المبدأ الأساسي لتقليل الطاقة الحرة لـ Gibbs وتوفر قوة دافعة ديناميكية تسمح بتغيير هيكل الزجاج بمرور الوقت.
يعتقد العديد من الباحثين أن الزجاج له حالة مغلقة ديناميكيًا تعتمد فيها إنتروبيا وكثافته على تاريخه الحراري، وأن هذه الحالة لن تصل إلى التوازن الحراري.
عندما يتعلق الأمر بالتزجج، هناك أيضًا مفارقة شرودنغر، أي عندما يكون السائل شديد البرودة، ينخفض فرق الإنتروبيا بين الطور السائل والطور الصلب، ويمكن استنتاج درجة الحرارة عندما يكون فرق الإنتروبيا صفرًا وتسمى درجة الحرارة هذه بدرجة حرارة كوزمان. وأدى ذلك إلى فكرة أن السائل قد يتبلور ذاتيًا قبل أن يصل إلى درجة الحرارة هذه. تقدم الفرضيات العديدة التي تسعى إلى تفسير مفارقة كوزمان وجهات نظر مختلفة حول طبيعة التزجج.
من خلال الأبحاث الحديثة، فإن تعريف درجة حرارة التزجج ليس موحدًا ويتأثر بمعايير مختلفة، وقد تنتج النتائج قيمًا مختلفة في ظل ظروف مختلفة. ومع ذلك، عند إجراء هذه القياسات، يمكن أن يؤثر معدل التبريد أو التسخين بشكل كبير على قيمة Tg المقاسة. إن استكشاف ظاهرة التزجج الداخلي يجعلنا نتساءل، هل هناك طريقة أكثر براعة لفهم الأسباب الكامنة وراء هذه الظاهرة؟
