ТРАДИЦИОННАЯ МОДЕЛЬ И КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Согласно традиционным взглядам, твёрдое кристаллическое вещество качественно отличается от жидкости, то есть имеет ряд таких свойств, которых у жидкости вообще нет. К числу таких свойств относятся: 1) механическая прочность ; 2) дальний порядок, симметричная форма, огранка кристаллов; 3) способность к изменениям дальнего порядка, то есть фазовым переходам или к структурным перестройкам в сравнительно узком интервале температур (или давлений, концентраций); 4) большие времена релаксации и соответственно длительная "память" об электромагнитных, механических и других воздействиях; 5) способность к образованию зернистых поликристаллических структур, микронеоднородность и др. Это положение очень "устоялось", представляется обычно настолько очевидным и привычным, что оно не требует не только обоснования, но и упоминания. Действительно, в традиционной модели жидкости нельзя получить такие свойства даже в очень ослабленном, зачаточном виде. Не видно, например, возможностей получить в модели хотя бы очень малый предел прочности; жидкость в модели течёт, очевидно, при сколь угодно малых нагрузках. Вязкость = /V остаётся почти постоянной, и скорость течения V становится равной нулю лишь при нулевом напряжении сдвига , = 0. В традиционной модели жидкости невозможны и структурные фазовые переходы или почти точечные перестройки структуры. При обычных парных потенциалах получается структура жидкости в виде неупорядоченной шаровой упаковки. Уравнения Перкуса-Йевика, Боголюбова, Борна-Грина позволяют связать структуру и взаимодействия, получить потенциал ® по дифракционным данным из радиальной функции распределения g®. При охлаждении происходит лишь некоторое уплотнение неупорядоченной структуры, уменьшается размытость ближнего порядка, несколько возрастают максимумы радиальной функции распределения g®. Плотность, вязкость и другие свойства изменяются медленно и монотонно, структурных перестроек и особенностей на политермах нет. В простейшем случае системы жёстких сфер эти изменения описываются компактными аналитическими уравнениями [51, 56]. К аналогичным результатам приводят физические модели, например, неупорядоченная шаровая упаковка Бернала; пузырьковые модели; структуры, получаемые как результат насыпания, например, 1000 шариков в какую-то емкость, и др. К таким же выводам приводит и более строгое исследование вопроса методом компьютерного моделирования [2]. Как отмечено выше, представления о противоположности или качественном различии свойств жидкости и кристалла установились в физике очень давно. Соответствующие положения можно найти ещё у Декарта, Ньютона, Ломоносова и др. [1, 17]. Считается , что жидкость в принципе не имеет определённых свойств, присущих кристаллическим телам. Эти свойства появляются скачком при кристаллизации вместе с дальним порядком и являются его следствием. До появления рентгеноструктурного анализа отличие кристаллов от жидкости связывали с симметричной формой, огранкой кристаллов ( Сам термин "кристалл" происходит, очевидно, от названия горного хрусталя, дающего множество образцов с ярко выраженной правильной огранкой; по первоначальному смыслу слово "кристалл" значит "ограненный". До рентгенoструктурного анализа огранка была ведущим признаком кристаллического состояния. ), с тем, что "каждая молекула кубического тела есть куб, ромбоэдрическое тело состоит из ромбов..." и т.д. Поэтому кристаллы имеют прочность, а жидкость , наоборот, согласно Ньютону, "есть такое тело, коего части уступают всякой силе и свободно движутся друг относительно друга" [17]. Отметим, что при последовательном развитии этого традиционного подхода следовало бы считать, что стёкла, не имеющие дальнего порядка, не имеют и обсуждаемых квазикристаллических свойств, в частности, прочности; ясно, однако, что такой вывод неверен. Имеются теории, сглаживающие это противоречие, например, микрокристаллитная теория стекла [30], приписывающая стеклам некоторые элементы дальнего порядка и, соответственно, объясняющая их прочность. Таким образом, согласно традиционной модели, жидкость не имеет квазикристаллических или "твёрдоподобных" свойств; исследователи, исходящие из теории , из моделей, отрицают эти свойства. Но, с другой стороны, исследователи, обобщающие опытные данные, снова и снова констатируют у жидкостей (и стекол) эти свойства; по ним накоплен уже обширный экспериментальный материал. Так, многократно выявлены структурные перестройки в расплавах, особенности на политермах вязкости и других свойств, признаки сохранения элементов эвтектической структуры и после расплавления, "память" жидкостей и др. С 30-х годов известна способность жидкости к хрупкому разрушению [80]. Приведенные выше компьютерные эксперименты и аналитические оценки привносят следующее новое обстоятельство в эти взаимоотношения теории и эксперимента: полученные в главе 2 результаты показали, что обсуждаемых свойств, отличающих реальный кристалл от жидкости, нет не только в традиционной молекулярной модели жидкости, но их нет также и в традиционной молекулярной модели кристалла. Они не появляются в компьютерной модели в результате "кристаллизации", то есть упорядочения, понижения температуры и соответствующего уплотнения структуры. Если мы отрицаем квазикристаллические свойства жидкости, исходя из традиционной модели, то мы должны, очевидно, на том же основании отрицать наличие таких свойств и у кристаллического вещества. Действительно, "кристаллизация" в модели не приводит к появлению прочности, малой подвижности частиц, высокой вязкости и др.; это основной результат главы 2. Не появляется такой правильный дальний порядок , как в реальных монокристаллах, появляется лишь "ближний кристаллический порядок". Вместо почти точечных фазовых переходов возможны лишь очень размытые превращения. Чтобы получить все эти свойства в модели , нужно придать структуре высокую стабильность, устойчивость к перегруппировкам атомов, к нарушениям порядка и изменениям его типа. Другими словами, нужно ввести стабилизирующие структуру дальнодействующие эффекты, например, потенциал типа (2.1). Перечисленные свойства, отличающие кристалл от жидкости, являются следствием не упорядочения (или не только упорядочения), но и появления стабилизирующих структуру эффектов. Конечно, в настоящее время распространено глубокое убеждение в том, что основные свойства кристалла можно и нужно объяснить в рамках его традиционной молекулярной модели, рассматривая вещество, например, как систему шариков с пружинками. Однако это - лишь одно из проявлений нашей мировоззренческой чрезмерной, "упрямой и бескомпромиссной" веры в традиционную модель. Обычно считается, что в кристаллическом состоянии обсуждаемые свойства (прочность, фазовые переходы, и др.) вполне понятны. Между тем трудности построения молекулярной теории таких свойств кристалла и жидкости практически одни и те же, если не считать тривиального различия в том, что к этим свойствам кристалла мы давно привыкли и что структуру жидкости труднее изобразить в пространстве и описать. В традиционной модели не получаются эти свойства как в кристаллическом, так и в жидком состоянии; в предлагаемой дополненной модели, при надлежащем задании структурных сил Fст, такие свойства появляются как в кристалле, так и в жидкости. При охлаждении свойства жидкости уже при температуре Тп обычно много выше температуры плавления, начинают уклоняться от величин, характерных для простой жидкости; появляются истинные энергии активации Е, то есть определённая стабильность, жёсткость структуры. Чтобы получить такое изменение свойств в модели , нужно предусмотреть появление при Т=Тп стабилизирующих структуру взаимодействий, например, типа (2.1) с энергией Uст порядка (10-1-10-2)RTпл и нарастание Uст при дальнейшем охлаждении пропорционально Т-n. Но при этом жидкость приобретет в модели, очевидно, уже и полный комплект квазикристаллических свойств, хотя бы и слабо выраженных из-за малости Uст. Вводя в модель поправку, обеспечивающую согласие с действительностью по кинетическим свойствам, мы получаем обсуждаемые свойства как в модели жидкости, так и в модели кристалла.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ТРАДИЦИОННАЯ МОДЕЛЬ И КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА» з дисципліни «Про кризу кінетичної теорії рідини і затвердіння»
