Language
Country/Area
No result found
Магическое стеклование: знаете ли вы, какова температура стеклования?
В повседневной жизни мы сталкиваемся с различными стеклянными материалами, но мало кто задумывается о научной основе этих материалов. Стекло — уникальное вещество с уникальными свойствами трансформации, особенно при переходе из одного состояния в другое. Это явление называется стеклопереносом, или стеклованием, и представляет собой постепенный и обратимый процесс, который происходит в аморфных материалах из твердого и хрупкого «стекловидного» состояния в вязкое состояние при повышении температуры. Густое или эластичное состояние.
Процесс трансформации стекла — загадочное явление, поскольку даже в диапазоне температур до 500 К это превращение не вызывает существенных изменений в структуре материала.
Температура стеклования Tg является важным параметром, описывающим температурный диапазон этого перехода. Эта температура всегда ниже, чем температура плавления Tm кристаллического состояния, поскольку стекло, по существу, представляет собой более высокоэнергетическое состояние. Многие жесткие пластики, такие как полистирол и полиметилметакрилат, обычно имеют температуру Tg около 100 °C. Это означает, что они остаются твердыми ниже этой температуры и становятся мягче и гибче выше этой температуры.
Применение резиновых эластомеров, таких как полиизопрен и полиизобутилен, является прямо противоположным. Эти материалы используются в состоянии выше их Tg, в котором они кажутся мягкими и гибкими. Такая сшитая структура предотвращает свободное движение молекул, поэтому каучук может сохранять фиксированную форму при комнатной температуре.
Хотя физические свойства стекла изменяются, стеклование не считается фазовым изменением, а скорее динамическим явлением, которое зависит от термической истории.
Во многих материалах, когда обычный процесс замораживания заменяется быстрым охлаждением, удается избежать кристаллического фазового перехода и непосредственно формируется стеклообразное состояние. Такие материалы обладают стеклообразующими способностями, способностью оставаться в аморфном состоянии при быстром охлаждении. Это свойство связано с составом материала и может быть предсказано теорией жесткости. Следующий вопрос: может ли структура материала, остающегося в стеклообразном состоянии, со временем еще больше релаксировать?
Стекло медленно меняет структуру в пределах диапазона трансформации. Даже при более низких температурах конфигурация стекла будет относительно стабильной, тогда как структура многих материалов будет стремиться к состоянию теплового равновесия после определенного нагрева или охлаждения. Этот процесс демонстрирует основной принцип минимизации свободной энергии Гиббса и обеспечивает динамическую движущую силу, которая позволяет структуре стекла изменяться во времени.
Многие исследователи полагают, что стекло находится в динамически заблокированном состоянии, в котором его энтропия и плотность зависят от его термической истории, и что это состояние не достигает теплового равновесия.
Когда дело доходит до стеклования, существует также парадокс Шредингера, то есть, когда жидкость переохлаждается, разница энтропии между жидкой фазой и твердой фазой уменьшается, и можно определить температуру, при которой разница энтропии равна нулю. Эта температура называется температурой Каузмана. Это привело к мысли, что жидкость может самокристаллизоваться, не достигнув этой температуры. Многочисленные гипотезы, пытающиеся объяснить парадокс Каузмана, предлагают разные точки зрения на природу стеклования.
По данным недавних исследований, определение температуры стеклования не является единообразным и зависит от разных стандартов. Результаты могут давать разные значения в разных обстоятельствах. Однако при проведении этих измерений скорость охлаждения или нагревания может существенно влиять на измеряемое значение Tg. Изучение феномена перехода стекла в помещении заставляет нас задуматься: существует ли более изобретательный способ понять основные причины этого явления?
