مادة صلبة غير متبلورة

يُعتبر التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة غير المتبلورة - التحول الزجاجي - أحد أهم المشاكل التي لم يتم حلها في الفيزياء .

عند درجات حرارة منخفضة للغاية (أقل من 1-10 كلفن)، تمتلك مجموعة كبيرة من المواد الصلبة غير المتبلورة خصائص متشابهة ومتنوعة عند درجات الحرارة المنخفضة. ورغم وجود نماذج نظرية متعددة، إلا أن الانتقال الزجاجي وخصائص المواد الصلبة الزجاجية عند درجات الحرارة المنخفضة لا تزال غير مفهومة تمامًا على المستوى الفيزيائي الأساسي .

تُعدّ المواد الصلبة غير المتبلورة مجالًا هامًا في فيزياء المادة المكثفة، ويهدف إلى فهم هذه المواد عند درجات حرارة التحول الزجاجي العالية وعند درجات الحرارة المنخفضة القريبة من الصفر المطلق . منذ سبعينيات القرن الماضي، دُرست خصائص المواد الصلبة غير المتبلورة عند درجات الحرارة المنخفضة تجريبيًا بتفصيل كبير. ^{[ 6 ] [ 7 ]} بالنسبة لجميع هذه المواد، تتناسب الحرارة النوعية تناسبًا خطيًا (تقريبًا) مع درجة الحرارة، بينما تتناسب الموصلية الحرارية تناسبًا تربيعيًا تقريبًا مع درجة الحرارة. تُسمى هذه الخصائص اصطلاحًا بالخصائص الشاذة، نظرًا لاختلافها الكبير عن خصائص المواد الصلبة المتبلورة .

على المستوى الظاهري، وُصفت العديد من هذه الخصائص بمجموعة من أنظمة النفق ثنائية المستوى. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ومع ذلك، لا تزال النظرية المجهرية لهذه الخصائص غائبة بعد أكثر من 50 عامًا من البحث. ^{[ 10 ]}

من اللافت للنظر أن كمية الاحتكاك الداخلي عديمة الأبعاد تكاد تكون عالمية في هذه المواد. ^{[ 11 ]} هذه الكمية هي نسبة عديمة الأبعاد (حتى ثابت عددي) بين طول موجة الفونون ومتوسط ​​المسار الحر للفونون . ولأن نظرية حالات النفق ثنائية المستوى (TLSs) لا تتناول أصل كثافة هذه الحالات، فإنها لا تستطيع تفسير عالمية الاحتكاك الداخلي، الذي يتناسب بدوره مع كثافة حالات النفق ثنائية المستوى المشتتة. وقد سلط أنتوني ليجيت الضوء على الأهمية النظرية لهذه المشكلة المهمة التي لم تُحل بعد . ^{[ 12 ]}

على عكس المواد البلورية التي تُظهر حيود براغ قويًا ، تتميز أنماط حيود المواد غير المتبلورة بقمم عريضة ومنتشرة. ^{[ 15 ]} ونتيجةً لذلك، يلزم إجراء تحليل مفصل واستخدام تقنيات تكميلية لاستخلاص معلومات هيكلية مكانية حقيقية من أنماط حيود المواد غير المتبلورة. ومن المفيد الحصول على بيانات الحيود من مصادر الأشعة السينية والنيوترونات على حد سواء، نظرًا لاختلاف خصائص تشتتها وتوفيرها بيانات تكميلية. ^{[ 16 ]} ويمكن إجراء تحليل دالة توزيع الأزواج على بيانات الحيود لتحديد احتمالية وجود زوج من الذرات يفصل بينهما مسافة معينة. ^{[ 15 ]} وهناك نوع آخر من التحليل يُجرى على بيانات حيود المواد غير المتبلورة، وهو تحليل دالة التوزيع الشعاعي، الذي يقيس عدد الذرات الموجودة على مسافات شعاعية متفاوتة من ذرة مرجعية عشوائية. ^{[ 17 ]} ومن خلال هذه التقنيات، يمكن توضيح الترتيب الموضعي للمادة غير المتبلورة.

يُعدّ التحليل الطيفي الدقيق لامتصاص الأشعة السينية أداةً ذريةً فعّالةً لدراسة المواد التي تفتقر إلى الترتيب بعيد المدى. توفر الأطياف التي يتم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة معلوماتٍ حول حالة الأكسدة ، وعدد التناسق ، والأنواع المحيطة بالذرة المعنية، بالإضافة إلى المسافات التي توجد عندها. ^{[ 18 ]}

تُجرى تقنية التصوير المقطعي الإلكتروني الذري باستخدام مجاهر إلكترونية نافذة قادرة على الوصول إلى دقة دون أنغستروم . يتم الحصول على مجموعة من الصور ثنائية الأبعاد من العينة المدروسة عند زوايا ميل مختلفة، ثم تُستخدم هذه الصور لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد. ^{[ 19 ]} بعد الحصول على الصورة، يجب إجراء معالجة مكثفة لتصحيح مشكلات مثل الانحراف والتشويش وتشوه المسح. ^{[ 19 ]} ينتج عن التحليل والمعالجة عاليي الجودة باستخدام التصوير المقطعي الإلكتروني الذري إعادة بناء ثلاثية الأبعاد لمادة غير متبلورة، توضح مواقع الذرات للأنواع المختلفة الموجودة فيها.

يُعدّ مجهر الإلكترون المتذبذب تقنية أخرى تعتمد على مجهر الإلكترون النافذ، وهي حساسة للترتيب متوسط ​​المدى للمواد غير المتبلورة. ويمكن الكشف عن التذبذبات البنيوية الناجمة عن أشكال مختلفة من الترتيب متوسط ​​المدى باستخدام هذه الطريقة. ^{[ 20 ]} ويمكن إجراء تجارب مجهر الإلكترون المتذبذب في وضع المجهر الإلكتروني النافذ التقليدي أو الماسح . ^{[ 20 ]}

غالباً ما تُدمج تقنيات المحاكاة والنمذجة مع الأساليب التجريبية لتوصيف هياكل المواد غير المتبلورة. وتشمل التقنيات الحسابية الشائعة الاستخدام نظرية الكثافة الوظيفية ، والديناميكا الجزيئية ، ومونت كارلو العكسي . ^{[ 14 ]}

تُعدّ الأطوار غير المتبلورة مكوناتٍ مهمةً للأغشية الرقيقة . والأغشية الرقيقة عبارة عن طبقات صلبة يتراوح سمكها بين بضعة نانومترات وعشرات الميكرومترات _، تُرسّب على ركيزة. وقد طُوّرت ما يُسمى بنماذج منطقة البنية لوصف البنية المجهرية للأغشية الرقيقة كدالة لدرجة الحرارة المتجانسة ( Th )، وهي نسبة درجة حرارة الترسيب إلى درجة حرارة الانصهار. ^{[ 21 ] [ 22 ]} ووفقًا لهذه النماذج، فإن الشرط الضروري لظهور الأطوار غير المتبلورة هو أن تكون ( Th ) أقل من 0.3. ويجب أن تكون درجة حرارة الترسيب أقل من 30% من درجة حرارة الانصهار ^{. [} _ب ^]

فيما يتعلق بتطبيقاتها، لعبت الطبقات المعدنية غير المتبلورة دورًا هامًا في اكتشاف الموصلية الفائقة في المعادن غير المتبلورة على يد بوكل وهيلش. ^{[ 23 ] [ 24 ]} يُفهم الآن أن الموصلية الفائقة للمعادن غير المتبلورة، بما في ذلك الأغشية الرقيقة المعدنية غير المتبلورة، تعود إلى اقتران كوبر بوساطة الفونونات . ويمكن تفسير دور الاضطراب البنيوي استنادًا إلى نظرية إلياشبرغ ذات الاقتران القوي للموصلية الفائقة. ^{[ 25 ]}

تتميز المواد الصلبة غير المتبلورة عادةً بتمركز أعلى لحاملات الحرارة مقارنةً بالمواد المتبلورة، مما يؤدي إلى انخفاض موصليتها الحرارية. ^{[ 26 ]} وتعتمد منتجات الحماية الحرارية، مثل الطلاءات العازلة للحرارة والعزل، على مواد ذات موصلية حرارية منخفضة للغاية. ^{[ 26 ]}

تتكون الطلاءات البصرية المصنوعة اليوم من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ₎ ، _{وثاني أكسيد} السيليكون (SiO₂ ) ، وخامس أكسيد التنتالوم ₍ Ta₂O₅ _)، وغيرها (ومزيج منها)، في معظم الحالات، من أطوار غير متبلورة لهذه المركبات. وتُجرى أبحاث مكثفة على الأغشية الرقيقة غير المتبلورة كطبقة غشائية فاصلة للغازات . [ ^{27 ] ولعل} أهم غشاء رقيق غير متبلور من الناحية التقنية هو طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) بسمك بضعة نانومترات، _تعمل كعازل فوق القناة الموصلة لترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET). كما أن السيليكون غير المتبلور المهدرج (Si:H) ذو أهمية تقنية للخلايا الشمسية الرقيقة . ^{[ ج ]}

في صناعة الأدوية ، أظهرت بعض الأدوية غير المتبلورة توافراً حيوياً أعلى من نظيراتها المتبلورة نتيجةً لذوبانية الطور غير المتبلور الأعلى . مع ذلك، قد تترسب بعض المركبات في شكلها غير المتبلور داخل الجسم الحي، مما قد يقلل من التوافر الحيوي المتبادل عند تناولها معاً. ^{[ 28 ] [ 29 ]} تُظهر دراسات GDC-0810 ASDs وجود علاقة وثيقة بين البنية المجهرية والخواص الفيزيائية وأداء الذوبان. ^{[ 30 ]}

تؤثر المواد غير المتبلورة في التربة بشكل كبير على الكثافة الظاهرية ، واستقرار التجمعات ، واللدونة ، وقدرة التربة على الاحتفاظ بالماء. ويعود انخفاض الكثافة الظاهرية وارتفاع نسبة الفراغات في الغالب إلى عدم انضغاط شظايا الزجاج والمعادن المسامية الأخرى . وتحتوي تربة الأنديسول على أعلى كميات من المواد غير المتبلورة. ^{[ 31 ]}