AMORFNI

MATERIJALI

Sadržaj1. Pojam amorfnosti.......................................................................................................................3

1.2. Pojam viskoznosti...................................................................................................................5

1.3. Nastajanje amorfnog stanja.....................................................................................................5

1.4. Primeri amorfnih materijala....................................................................................................6

1.4.1. Staklo............................................................................................................................... 6

1.4.2. Amorfni tanki filmovi i premazi........................................................................................9

1.4.3. Nanostrukturni materijali...........................................................................................10

2. Zaključak...................................................................................................................................... 13

3. Literatura..................................................................................................................................... 14

Slika 1. Primeri amorfnih materijala..................................................................................................4

Slika 2. Šematski prikaz uređenja atoma u kristalnom i amorfnom sistemu......................................4

Slika 3. V-T dijagram.......................................................................................................................... 5

Slika 4. Staklene jabuke..................................................................................................................... 7

Slika 5. Razlika metala i metalik stakla...............................................................................................8

2

1. Pojam amorfnosti

Amorfni materijali postoje u prirodnim i vestačkim sistemima. Trunke preloma zemljotresa1,

Tanki filmovi2 i metalik stakla3 su naizgled različiti materijali, ali su slični jer poseduju amorfnu

strukturu.

Amorfnost predstavlja osobinu materijala koja se odlikuje nedostatkom uređenog rasporeda

atoma. Sa atomske tačke gledišta struktura amorfnih materijala je veoma slična strukturi tečnosti.

Amorfne supstance imaju određenu uređenost čestica samo na kraćim rastojanjima, ali ne postoji

uređenost u celom prostoru. Kod kristalnih supstanci postoji pravilnost u prostoru u rasporedu

čestica, i jačine veza između čestica su jednake, samim tim, pri zagrevanju kristala, veze između

čestica se raskidaju naglo na određenoj temperaturi, i kristali imaju tačno određenu temperaturu

topljenja. S druge strane kod amorfnih supstanci rastojanja između čestica nisu jednake u svim

delovima, zbog toga nisu jednake ni privlačne sile između pojedinih čestica, i pri zagrevanju

amorfnih supstanci ne postoji nagli prelaz iz čvrstog u tečno stanje na određenoj temperaturi, već

pri zagrevanju prvo omekšavaju, a zatim se tope u određenom temperaturnom intervalu. Čestice

kod amorfnih supstanci su raspoređene haotično i u čvrstom stanju, sa tim što je pokretljivost

čestica u tečnom stanju znatno veća.

Iako slomovi na zemljotresnim prelomima i deformacije na metalik staklima deluju kao različiti

fenomen, oni dele zajedničku osobinu: reon gde se desio slom ili deformacija je popunjen

amorfnom materijom. Amorfne materije se sastoje iz čestica (atoma, granula, mehurića ili

molekula) koje su tako raspoređene da su centri njihovih masa neuređeni; njihova struktura se u

suštini ne razlikuje od tečnosti. Koloidi i emulzije, stakla za prozore, gusti polimeri, silikonske

ploče, pene, pa čak i biološka tkiva su ostali primeri amorfnih materijala.

1 http://web.physics.ucsb.edu/~complex/research/amorphous.html#AmorII2 http://www.phi.com/surface-analysis-applications/thin-films-and-coatings.html3 “Glassy Steel”, Oak Ridge National Laboratory press release, May 2005

3

Slika 1. Primeri amorfnih materijala

Na slici 2 je predstavljena uređenost atoma na malom rastojanju za kristalnu (levo) I za

amorfnu supstancu (desno), gde se primećuje razlika između dve pomenute strukture.

Slika 2. Šematski prikaz uređenja atoma u kristalnom i amorfnom sistemu

Vidi se da je u oba slučaja svaki atom okružen sa tri najbliža suseda, odnosno da atomi nisu

nasumično raspoređeni u prostoru. Prema tome, amorfno stanje, kao i kristalno stanje karakteriše

visoki stepen lokalne korelacije. Atomi se nalaze na približno istoj udaljenosti, a i uglovi među

njima su skoro isti, što je posledica postojanja hemijskih veza koje drže atome na okupu u čvrstim

sistemima.

4

1.2. Pojam viskoznosti

Viskoznost se definiše kao sila po gradijentu brzine koji je upravan na silu:

Amorfne suspstance imaju mnogo veću viskoznost od tečnosti i mogu zadržati jedan oblik

dovoljno dugačak period vremena.

Vrednosti viskoznosti za određene supstance:

Vazduh …………………………. 0.000018 Voda ……………………………… 0.001

Motorno ulje ………………… 0.1 - 0.6 Glicerin ……………………………… 0.9

Prozorsko staklo (515oC).. 1012 Prozorsko staklo (800oC) …… 104

1.3. Nastajanje amorfnog stanja

Karakteristika amorfnih materijala (u ovom slučaju ćemo uzeti konkretan primer stakla), da

nemaju određenu kristalnu strukturu doprinosi činjenici da se stakla smatraju vrlo viskoznim

tečnostima. Ali, ipak samo neke tečnosti mogu formirati stakla, pa da bi se uvidela razlika mora se

detaljnije posmatrati struktura stakla. Na visokim temperaturama stakla su tečnosti kao i svake

druge. Prilikom hlađenja volumen im se smanjuje zbog preuređenja atoma u niže energetsko stanje

sve dok se ne postigne određena temperatura Tg, koju nazivamo temperatura ostakljivanja. Ispod

te temperature volumen se i dalje smanjuje, ali sada samo zbog manjih vibracija atoma oko svojih

položaja. Taj odnos volumena i temperature prikazan sa V-T dijagramom na slici 2.

Prelaz se dešava kad sastav ne može dovoljno

brzo odgovoriti na hlađenje razmeštanjem atoma.

Jasno se vidi da ako je hlađenje sporije, atomi se

mogu razmeštati na nižim temperaturama, sve dok n

počnu da međusobno smetaju jedan drugome. Atomi

se ipak, još i tada razvrstavaju iako jako sporo,

zbog čega staklo ponekad nazivamo jako viskoznom

tečnošću. Prirodno je da postoji neka donja granica

brzine hlađenja ispod koje atomi imaju dovoljno

vremena za kristalizaciju.

1.4. Primeri amorfnih materijala

Primeri nekih materijala čije čestice nisu uređene kao kod kristala, odnosno, primeri

amorfnih materijala su: staklo, metalik staklo, gelovi, tanki filmovi i nanostrukturni materijali.

Slika 3. V-T dijagram

5

1.4.1. Staklo

Stаklo je homogenа аmorfnа, izotropnа, providnа, čvrstа i krtа mаterijа u metаstаbilnom

stаnju nаstаlа hlаđenjem i zаgrevаnjem. Sаdrži nаjčešće silicijumski pesаk, sodu, okside аlkаlnih

metаlа i krečnjаk. To je biološki neаktivni mаterijаl. Ono je trаnspаrentno providno zа vidljivo

svetlo (postoji i neprovidno stаklo). Obično stаklo ne propuštа svetlo mаlih tаlаsnih dužinа jer

sаdrži primese.

Prvo stаklo je otkriveno oko 3000. godine p.n.e. u Egiptu. U početku tehnologijа nije

omogućаvаlа proizvodnju čistogа stаklа i upotrebljаvаlo se uglаvnom zа proizvodnju ukrаsа.

Stаklo se nаlаzilo i u prirodi i stvаrаno je iz vulkаnizаcijа.

Proizvodi se zаgrevаnjem i topljenjem u stаklаrskoj peći. Rezultаt je аmorfnа mаterijа.

Može dа se formirа u rаzličite oblike. Stаklo je jаko krto i rаzbijа se nа oštre krhotine. Ove osobine

mogu biti modifikovаne dodаvаnjem primesа- nаjčešće oksidа metаlа prilikom topljenjа.

Stаklo je pre svegа sаstаvljeno od silicijumskog peskа – silicijum oksidа koji imа

temperаturu topljenjа od 2.000° C i zbog togа se prilikom topljenjem dodаju аlkаlne tvаri koje

snižаvаju temperаturu tаljenjа. Zbog togа što ovo snižuje odolnost od vode dodаje se i oksid

krečnjаkа koji ovo poboljšаvа. Od osnovnih sirovinа zа izrаdu stаklа se pripremi smesа u prаšku

kojа se tаli u stаklаrskoj peći. Dodаju se primese koje fаrbаju stаklo, čiste gа ili gа čine

neproglednim. Tekući mаterijаl se dаlje prerаđuje duvаnjem stаklа, presovаnjem, livenjem stаklа

ručno ili mаšinskim putem i izvlаčenjem stаklа. Ovаko nаstаli polutovаri se mogu dаlje prerаđivаti

n. p. r. brušenjem, glаčаnjem i sl.

Stаklo se može ukrаšаvаti i ukrаšаvаnje stаklа je povereno likovnjаcimа koji imаju

sаvršenu stručnu pripremu u prerаdi stаklа. Izlаznа tаčkа je umetnički crtež koji se prevodi u

definitivni tehnički predlog i osnovnu tehničku formu novog proizvodа.

6

Slika 4. Staklene jabuke

U pećimа gde se mаterijаl prerаđuje u rаžerаvljenom stаnju uz toplotu, tаko je poznаto

npr. kidаno stаklo. Tu dekor nаtrаje tаko dа se stаklo u rаzžerаvljenom stаnju uroni u vodu i ono

popucа i stvаrа efekte а potom se ponovo zаgrevа dа bi površinа postаlа glаtkа. Mrаmorovаno

stаklo nаstаje kаdа se vruće stаklo obаvijа mаlim komаdićimа stаklа u boji koji se u jezgro zаtаve.

Jednа od mogućnosti je obаvijаnje jezgrа stаklenim nitimа u boji.

Slojevito stаklo je tehnikа u pećimа kojа rаčunа sа nekoliko slojevа stаklа u boji koje se

zаtim tehnikom brušenjа u hlаdnom stаnju dаlje prerаđuju. Brušenje je tehnikа prerаde stаklа u

hlаdnom stаnju i mogu se brusiti rаzne vrstа stаklа kаo olovno, bojeno i sl. Dаljа tehnikа je slikаnje

stаklа koje se može izvoditi u toplom i hlаdnom stаnju i slikа se bojаmа koje nisu ništа drugo već

lаko rаstopljivo stаklo u koje se dodаju metаlni oksidi. Ecovаnje je tаkođe tehnikа zа dekorаciju

stаklа u hlаdnom stаnju. Uzorci se ecuju u kupki sа kiselinom fluorovodoničkom kojа rаspuštа

stаklo i intenzitet i dubinа uzorkа zаvisi od koncentrаcije kiseline i vremenа ecovаnjа.

Poznаtа tehnikа je i mаtirаnje stаklа. Mаtne površine se mogu stvаrаti ecovаnjem sа

kiselinаmа ili pаstаmа ili peskаrenjem u kojem se snаžnom strujom peskа deluje nа stаklo dа bi se

stvorile mаtirаne površine а može se konаčno i mаtirаti stаklenа površinа brušenjem pomoću

rаznih mаsа. U prerаdu stаklа spаdа i metаlizirаnje stаklа gde se tekući metаli nаnose slično kаo

kod oslikаvаnjа stаklа. Trebа reći i o znаčаju primeni stаklа u monumentаlnoj umetnosti- u

аrhitekturi grаđevinа i prostorа. Bojeni prozori su slike koje se sаstаvljаlu iz bojenog stаklа koje

7

pored osnovne funkcije dа propuštаju svetlo imаju i rаzne estаtske funkcije. Zidne slike iz bojenih

stаkаlа su osnovi zа mozаike.

Jedаn od nаčinа prerаde stаklа je duvаnje stаklа. Ručnа izrаdа se sprovodi tаko dа stаklаr

iz peći uzimа sа cevčicom od oko 15 mm i dužine 120- 150 cm nа kojoj je drveni rukohvаt i metаlni

pisаk, mаnju količinu stаklene mаse koju porаvnа i izduvа i ostаvi je mаlo dа se ohlаdi i uzimа

dаlju količinu stаklene mаse koju izrаvnа u specijаlnom аlаtu i duvа i formirа okretаnjem i nаjzаd

se proizvod odeli od cevčice i odnosi u peć zа hlаđenje. Kаsnije se proizvod još jedаn put zаgreje i

dorаđuje. Kod mаšinske proizvodnje duvаnje stаklа se izvodi tаko dа rаde mehаnizmi i

poluаutomаti ili punom аutomаtizovаnom proizvodnjom dа bi se dobile odgovаrаjuće forme. Obа

ovа principа su prisutnа kod proizvodnji sijаlicа ili flаšа.

1.4.1.1. Metalk staklo

Specijalne legure, nazvane metalik stakla, imaju atribute metala kao što je čvrstoća i

električna provodnost, a ujedno imaju i prilagodljivost plastike, to im pruža vrlo važnu ulogu u

mnogim industrijskim poljima nastojećih godina. Ove legure mogu biti nekoliko puta jače od

najboljeg industrijskog čelika, ali se lako oblikuju na temperaturama bliskim temperaturama

toplenja. Metalna stakla imaju nedostatak uređene kristalne strukture uobičajnih metala, umesto

nje, atomi u metalik staklu su haotično uređeni, zbrkani nalik klikerima u kutiji, umesto poređanih

jaja u kartonu.

Metalik stakla nemaju granična zrna – slabe tačke u regularnim metalima, prouzrokovane

defektima kristalne strukture koja ograničava njihovu fizičku snagu. Ovo pruža metalnim staklima

veću otpornost na pritisak kao i na koroziju. Jedna patentovana amorfna legura, Vitreloy, ima

snagu koja je skoro duplo veća od titanijuma.

8

Slika 5. Razlika metala i metalik stakla

9

1.4.2. Amorfni tanki filmovi i premazi

Taniki filmovi i premazi imaju skoro neograničen opseg korisnosti, koje uključuju:

obezbeđivanje antistatičih osobina4, otpornost na koroziju, redukciju habanja, kao i proizvodnju

optičkih uređaja, ogledala, poluprovodničkih uređaja, magnetskih medija i omota za hranu.

Amorfne faze su vazni delovi tankih filmova, koji su čvrsti slojevi debljine nekoliko

nanometara do nekoliko desetina mikrometara koji su naneseni na supstrat. Za opisivanje

mikrostrukture keramike i tankih filmova su razvijeni strukturni modeli zona kao funkcije

homologne temperature Tk koja predstavlja odnos temperature taloženja i temperature topljenja.

Prema ovim modelima potreban (ali ne i dovoljan uslov) za pojavljivanje amorfne faze je da Tk

mora biti manje od 0,3 tj. da temperatura taloženja mora biti niza od 30% temperature topljenja.

Za veće vrijednosti, površinska difuzija izdvojenih atomskih vrsta bi omogućila formiranje kristala

sa visokom uređenoscu atoma.

Što se tiče specifične primene, amorfni metalni slojevi su igrali važnu ulogu u diskusiji o

navodnoj superprovodljivosti amorfnih metala. Danas se optički pokrivači koji se prave od TiO2,

SiO2, Ta2O5 itd. i njihove kombinacije se većinom sastoje od amorfnih faza ovih komponenata.

Tanki amorfni filmovi se takođe primjenjuju za razdvajanje gasa kod slojeva membrana. Uglavnom

su napravljeni od tankog sloja slojeva SiO2 koji su debeli nekoliko nm koji služe kao izolator iznad

provodnog kanala MOSFET-a. Takođe, hidrogenizovani amorfni silicijum tj. a-Si:H ima tehničku

primenu u solarnim ćelijama na bazi tankih filmova. Kod a-Si:H nedostatak uređenosti između

atoma silicijuma se javlja zbog prisustva vodonika u vidu nekoliko procenata.

Pojavljivanje amorfnih faza je takođe vazno u proučavanju rasta tankih filmova. Rast

polikristalnih filmova često počinje amorfnim slojem, čija debljina može biti samo nekoliko nm.

Najbolje ispitan primjer je tanki polikristalni silicijumski film gdje je početni amorfni sloj posmatran

u mnogim ispitivanjima. Komadi polikristala su identifikovani pomoću transmisionog elektronskog

mikroskopa i uočeno je da rastu iz amorfnog sloja nakon što amorfni sloj dostigne određenu

debljinu, čija precizna vrijednost zavisi od temperature izdvajanja, pritiska i raznih drugih

parametara. Ovaj fenomen je interpretiran u okviru Ostvladovih pravila o stanjima koje predviđa

formiranje manje stabilnih faza koje tokom vremena kondenzacija prelaze u stabilnije oblike.

Eksperimentalna proučavanja ovog fenomena zahtevaju određeno stanje površine supstrata i

njegovu gustinu nakon koje se stvara tanki film.

4 Brzo rasipanje statičkog elektriciteta10

1.4.3. Nanostrukturni materijali

Nanomaterijali su materijali sa strukturnim jedinicama velicine 0.000000001m.

Nanotehnologija je istrazivanje materijala sa morfoloskim znacajem na nano skali, a posebno onih

koji imaju posebna svojstva, koja proizlaze iz njihovih nano dimenzija. Nano level se obicno

definise kao manji od desetine mikrometra u barem jednoj dimenziji, iako se taj termin ponekad

koristi za materijale manjih od jednog mikrometra.

Važan aspekt nanotehnologija je znatno povecanje razmera površine po volumenu

prisutan u mnogim nano materijalima, koji omogućava novo kvantno mehaničko dejstvo. Jedan

primer je "kvantna velicina dejstva", gde se elektronska svojstava čvrste materije menjaju sa

velikim smanjenjem veličine čestica. Ovaj efekat nije u igri ako odete iz makro u mikro dimenzije.

Međutim, to postaje izraženije kada se postigne veličina u nm. Odredjen broj fizičkih osobina

takodje se menja sa promenom iz makroskopske dimenzije. Novitet mehaničkih svojstava

nanomaterijala je predmet nano-mehaničkih istraživanja.

Nanomaterijali imaju puno veću povrsinu po jedinici mase u poredjenju s većim cesticama,

tako oni sa novim karakteristikama koje bi mogle uključivati povećane snage, hemijsku

reaktivnost, provodljivost i elektricne osobine.

Rasuti materijal mogu pokazati nova svojstava kad postanu nanocesticni i ne postoji

povecanje koriscenje tih novih svojstava. Dva glavna sastojka uzrokuju svojstva nanomaterijala

razlikujuci ih značajno od rasutog materijala: povecana relativna povrsina, i kvantni efekti. Uz

konstantne mase smanjenje veličine čestica rezultuju promenu ukupne povrsine. Rezultanta veće

površine uzrokuje površinska hemija koja postaje sve važnija, stoga manje čestice mogu pokazivati

veću biološku aktivnost podatoj masi u poredjenju sa vecim cesticama.

Drugim recima, ogromna kolicina reaktivnih molekulskih vrsta nalazi se samo na povrsini

nerastvornih cestica i cestica jezgra (preostale nakon raspada rastvorne komponente) moze biti

konacano metricko određivanje nepovoljnih ishoda, iako ovim molekulima mogu dodti samo mali

deo cesticne mase.

11

1.4.3.1. Primena nanomaterijala

Proizvodnja nanomaterijala je konstantno u porastu u oblasti medicine, industrije i nauke.

Ovi materijali su projektovani tako da imaju dimenzije manje od 100 nm (nanometara) i veoma

jedinstvena svojstva koja su rezultat tako male veličine.

Kada se govori o nanomaterijalima, pored svih njihovih pogodnosti, kvaliteta i korisnosti,

ne može a da se ne pomene problem uticaja na životnu sredinu. Nanomaterijali, obzirom da su

napravljeni veštačkim putem, imaju svojstvo da neke od štetnih materija ispuštaju u okolinu. Pod

štetnim materijama uglavnom se misli na ispuštanje jona.

Studija koju su sproveli istraživači iz Kentakija (SAD), donekle je dala odgovor na na tu

dilemu. U studiji ispitivanja tima sa Univerziteta Kentacky, koju je finansirala U.S. Environmental

Protection Agency, utvrđeno je da kišne gliste apsorbuju nanočestice bakra prisutne u zemljištu.

Jedan od ključnih koraka u prihvatanju nanomaterijala jeste otkrivanje da li se metalni joni

propuštaju kroz nanomaterijale ili ih sami nanomaterijali oslobađaju. Upotrebom rengen analize,

istraživači su uspeli da naprave razliku između nanočestica bakra i bakarnih jona, ispitivanjem

stanja oksidacije bakra u tkivima kišnih glista.

Mnogi proizvodi koji su napravljeni od nanomaterijala, nakon upotrebe oslobodiće

nanočestice ili kao posledicu redovnog korišćenja ili kroz bacanje upotrebljenog proizvoda.

Odbačeni nanodelovi mogu da se vrate u prirodu ili putem vode ili putem zemljišta. Nakon toga,

svi ti sastojci ulaze u redovni ciklus, jer voće i povrće raste iz zemlje, a vodu pijemo i tako te čestice

unosimo u svoj organizam. Prema istraživačima, još uvek nije jasno kako nanomaterijali deluju u

okruženju, zbog nedostatka naučnih istraživanja. U svakom slučaju, polemika je da takvi materijali,

nastali veštačkim putem, mogu štetiti ljudima i životinjama.

Istraživači sada tvrde da studije, koje su u toku, imaju za zadatak da sprovode

transformaciju, bioraspoloživost, trofički transfer i neželjena dejstva napravljenih nanomaterijala

na kopnene ekosisteme.

Nanomaterijali se uveliko koriste u raznim isntrumentima i robi široke potrošnje. Presvlake

za solarne ćelije uglavnom su napravljene od nanomaterijala. Njihova uloga je svakako bitna u

daljem razvoju tehnologija i samog čovečansta, ali je bitno i očuvati okolinu od potencijalnog

štetnog uticaja ovih materijala. Dalja istraživanja pronaćiće rešenje za taj problem.

12

1.4.3.2. Nanomaterijali u praksi

1.4.3.2.1. Nano roboti

Nano roboti velicine 0.000000001 metara do sada najvise korisceni u medicini, pronalaze,

unistavaju kancerogene celijie, toksicne materije, prate I kontrolisu njihvu brojnost. Mogucnost

ovih robota je velika, kako je sada moguce I kontrolisati njihovo kretanje unutar organizma

pomocu polyphyletic-nih bakterija aktivnih na magnetno polje. Pomocu 6 ovakvih bakterija koje

bi nosile 1 nano robota bilo bi moguce kontrolisano kretanje kroz organizam i prikupljanje

potrebnih podatka.

1.4.3.2.2. Svemirski lift

Glavni problem slanja bilo kakvog objekta van zemlje je bilo kako pobediti gravitaciju

zemlje, jer najveca energija se trosila na borbu sa silom zemljine teze. Medjutim pronalazenje

nano vlakan ugljenika smatra se da je moguce da se izgradi lift koj bi nosio platformu van

gravitacionog polja. Gradjenje takvog lifta omogucile su nano cevi ugljenika sirine 4 a duzine 16

atoma, dovoljno cvrste da izdrze rotacionu silu zemlje, svoju tezinu. Naime ove cevi izgradjene od

dva sloja, u poprecnom preseku izgledali bi kao koncentricni krugovi, dovoljno su jake da izgrade

konstrukciju visoku 5000-6000 kilometara, kao dobri provodnici omogucili bi odlican prenos struje

do krajnje jedinice u van gravitacionom polju.

13

2. Zaključak

Amorfni materijali, (često zvani metalik stakla), sastoje se od metala sa neuređenom atomskom

strukturom. Mogu biti duplo snažniji od čelika, a zbog svoje neuređene strukture, oni provode

energiju efektivnije od metalnih kristala, koji ima svoje slabosti. Amorfni metali se prave brzim

hlađenjem metala pre nego što se postroji u kristalni šablon. Amorfni materijali mogu biti sledeća

generacija vojnih oklopa. Sa ekološke strane, amorfni materijali imaju elektronska svojstva koja

unapređuju efikasnost strujne mreže za do 40%, i time šredi na hiljade tona fosilnih goriva. Za

sada je cena proizvodnje amorfnih materijala mnogo skuplja od običnih metaka, što ograničava

široku adaptaciju u industrijama. Ali pristalice amorfnih materijala veruju da će trošak proizvodnje

ovih legura verovatno padati kako novi materijali bivaju otkriveni, a proizvodnja postrojenja

povećana.

14

3. Literatura

1. L. H. Van Vlack : “Elements of Materials Science and Engineering”, 6th edition,

Addison-Wesley, Reading, 1989;

2. http://web.physics.ucsb.edu/~complex/research/amorphous.html#AmorII

3. http://www.kidela.com/resources/metallic-glasses-strength-from-disorder/

4. http://www.robaid.com/tech/bulk-metallic-glasses-material-is-strong-as-steel-and-

moldable-as-plastic.htm

5. http://lifeboat.com/ex/10.futuristic.materials

6. http://www.phi.com/surface-analysis-applications/thin-films-and-coatings.html

15