UVOD

ČVRSTI KRISTALNI MATERIJALI

HEMIJSKE VEZE I SVOJSTVA MATERIJALA

NESAVRŠENOSTI U KRISTALNOJ STRUKTURI

ČVRSTI NEKRISTALNI MATERIJALI

ЕЕlektrotehnilektrotehniččki fakultet, Beogradki fakultet, Beograd

Materijali u elektrotehniciMaterijali u elektrotehnici

Inženjeri imaju svakodnevno posla sa materijalima. Oni izrađuju i obrađuju materijale, projektuju strukture i komponente korišćenjem materijala, vrše izbor odgovarajućih materijala, ili analiziraju defekte u materijalima.

Kao odgovorni inženjeri, zainteresovani smo za poboljšanje proizvoda koje projektujemo ili izrađujemo. U tu svrhu, neophodno je poznavati vezu sledećih faktora:

PRIMENA

KARAKTERISTIKE

SASTAV & STRUKTURA

TEHNOLOGIJA (sinteza i obrada)

Promenom jednog od ta četiri faktora, jedan ili više preostalih se takođe menja. Zato je neophodno odrediti kako su ta četiri aspekta međusobno povezana, da bi se konačno dobio željeni proizvod.

UVOD

Poluprovodnici (mikroelektronska i optoelektronska kola, sa daljom aplikacijom u računarskoj tehnici, telekomunikacijama, industrijskoj i mernoj elektronici, HI-FI tehnici...)

Provodnici (provodne žice u izolovanim provodnicima i kablovima, provodne veze u mikroelektronskim kolima, otpornici, grejači, termospregovi, topljivi osigurači, električni kontakti, lemovi, baterije i akumulatori...)

Superprovodnici (namotaji snažnih elektromagneta i generatora, Džozefsonove merne naprave ultravisoke tačnosti, sa perspektivama primene za superprovodne pogone, kablove za prenos energije bez gubitaka i druge koje bi mogle doneti novu revoluciju u elektrotehnici)

Dielektrici (izolacija kablova i energetskih postrojenja, priključnice, optički kablovi, kondenzatori, tečnokristalni displeji, piezoelektrični pretvarači...)

Magnetici (jezgra električnih mašina, stalni magneti za energetiku, elektroniku, mernu i HI-FI tehniku, memorije...)

Biomaterijali (implantati: veštački zglobovi, kosti, srčani zalisci, delovi krvnih sudova, veštački organi, veštačka krv, očna i kontaktna sočiva; medicinski pribor: hirurški konac, kateteri, konektori, cevi, kutije, kućišta)

Primena

Fizičke karakteristike (električne, toplotne, optičke, dielektrične, magnetne, hemijske) – zavise i od strukture/sastava i od tehnologije materijala (male promene u sastavu - značajne promene u električnoj provodnosti poluprovodnika; odstupanje od optimalne temperature sinterovanja magnetnih, dielektričnih, superprovodnih keramika - pogoršanje njihovih svojstava; hemijska degradacija materijala - značajno zavisi od defekata u njihovoj strukturi)

Mehaničke karakteristike (čvrstoća, plastičnost, tvrdoća, žilavost, elastičnost, zamor…). Konstrukcioni materijali moraju u fazi izrade delova različitih oblika biti dovoljno plastični, da bi potom pogodnim termičkim tretmanom postali iznutra dovoljno čvrsti, žilavi i otporni na zamor, ali ponekad i površinski tvrdi, kako bi zadržali stalni oblik pri eksploataciji; isto se može postići kombinovanjem dvaju materijala potrebnih svojstava.

Biomedicinske karakteristike (generalno: biokompatibilnost sa tkivom, mehanički kontinuitet sa okolnim koštanim tkivom, netoksičnost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji; specifično: bioaktivnost za regeneraciju, biodegradacija u postoperativnoj hirurgiji i farmakologiji, otpornost na infekcije na mestima prodora naprave kroz kožu, trombootpornost za naprave u kontaktu sa krvlju, propustljivost i difuzibilnost membrana vantelesnih naprava i veštačkih organa...)

Karakteristike

Većina materijala se dobija hemijskom preradom ruda ili nafte, uz neke dodatne hemijske sinteze. Po dobijanju materijala željenog hemijskog sastava, pristupa se tehnološkom postupku obrade materijala u cilju dobijanja završnog proizvoda. U postupke obrade spadaju:

•Rast monokristala (debeloslojnih i tankoslojnih, u mikroelektronici) •Sinterovanje (keramika i kompozita)•Livenje (polimera, biostakala, metala)•Oblikovanje (ekstruzija polimera, izvlačenje metalnih žica)•Spajanje (zavarivanje, lemljenje, zatapanje i kitovanje nemetalnih i metalnih delova)•Termička obrada (oporavljanje i rekristalizacija metala, sa kontrolom veličine zrna, broja defekata u strukturi i mehaničkih svojstava metala)•Hemijska obrada (niklovanje i hromiranje metala, radi zaštite od korozije) itd.

Tehnologija (postupci sinteze i obrade materijala)

Sastav materijala (hemijska kompozicija) diktira njihova fizička i mehanička svojstva, a nameće i tehnologiju obrade, kao i primenu.

Gasoviti i tečni materijali, zbog stabilne hemijske strukture molekula sa čvrsto vezanim valentnim elektronima, uglavnom su električni i toplotni izolatori, sa izuzetkom provodnih elektrolita (vodeni rastvori kiselina, baza i soli, sa molekulima disosovanim u pozitivne i negativne jone).

Čvrsti materijali imaju najveću primenu zbog velike mehaničke čvrstoće i termičke stabilnosti usled jakih međuatomskih hemijskih veza: kovalentnih, jonskih i metalnih. Većina materijala može da se dobije u čvrstom stanju, pa čak i gasovi, ako se rashlade na dovoljno niske temperaturebliske apsolutnoj nuli (0 K, −273°C). Neke od gasova neophodno je podvrgnuti i povišenom pritisku. Helijum, na primer, prelazi u čvrsto stanje pri T = 1,45 K i p = 37·105 Pa.

Čvrsto stanje se odlikuje prostorno periodičnim rasporedom strukturnih jedinica (atoma, jona ili molekula). Spoljašnje ispoljavanje takvog pravilnog rasporeda strukturnih jedinica je pravilna geometrijska forma - kristal.

Sastav i struktura

Minerali kvarca (silicijum-dioksida, SiO2, poznatog pod nazivom silika).

Mineral je čvrsta hemijska suspstanca koja se javlja u prirodi, nastaje biogeohemijksim procesima, ima isti hemijski sastav u svim delovima i uređenu mikroskopsku strukturu. U stenama se minerali nalaze izmešani međusobno i sa drugim nekristalnim materijalima (mineraloidima).

Kvarc je drugi najzastupljeniji mineral u Zemljinoj kori, nakon feldspata (silikati aluminijuma i kalijuma).

Mineral halit (kamena so, NaCl)

Galijum

Proces formiranja kristalne strukture, odnosno nastanka kristala, naziva se kristalizacija. Spoljašnja poliedarska forma kristala predstavljena je graničnim elementima kristala. Granični elementi kristala su pljosni (glatke ravne površine), rogljevi i ivice.

Monokristalna forma (pravilnog rasporeda hemijskih veza/atoma) posebno je značajna za fizička svojstva poluprovodnika, pošto značajno povećava brzinu kretanja elektrona ili šupljina u njima, odnosno brzinu rada mikroelektronskih poluprovodničkih kola (čipova).

Polikristalna forma (strukture međusobno haotično orijentisanih mikroskopskih monokristala/polikristalnih zrna) značajna je za izradu složenijih metalnih formi (žice, folije, limovi, odlivci...), kao i dielektričnih (feroelektrici) i magnetnih (feriti) keramičkih sinterovanih formi.

Sinterovanje je postupak tokom kog se smeša prahova polaznih materijala zagreva do temperature nešto niže od tačke topljenja, a zatim postupno hladi, pri čemu dolazi do adhezionog stapanja zrna prahova. Sinterovanje pruža mogućnost očuvanja visoke čistoće i precizne kontrole poroznosti završnog materijala.

Keramike su neorganski čvrsti materijali, od kojih većina spada u kristale, mada neke mogu da budu i amorfne (stakla).

(Nekristalne čvrste forme: amorfne, polimerne, tečnokristalne, kompozitne.)

ČVRSTI KRISTALNI MATERIJALI

• Vektor translacije

•Primitivni vektori • Primitivna ćelija (pridružena samo jednom čvoru rešetke)

Ceo prostor rešetke moguće je reprodukovati translatornim ponavljanjem primitivnih ćelija. Svaki izbor tri primitivna vektora određuje po jednu moguću primitivnu ćeliju zapremine .

Periodičan raspored geometrijskih tačaka (koje šematski predstavljaju ravnotežne položaje strukturnih jedinica u kristalu), raspoređenih u prostoru na takav način da svaka tačka ima identično okruženje, naziva se kristalna rešetka (ili Braveova rešetka).

3

1 1 2 2 3 31

,i i ii

R n a n a n a n a n

Z

1 2 3( , , )a a a

0 1 2 3( )V a a a

• Elementarna ćelija ima simetriju kristalne rešetke, ali nije primitivna.

Na slikama u sredini su prikazane primitivne ćelije za UCKR i PCKR konstruisane nad simetričnim primitivnim vektorima (siva boja), kao i elementarne ćelije oblika kocke.

Primitivna ćelija koja ispoljava simetriju rešetke je Vigner-Zajcova ćelija. Ona se konstruiše polovljenjem ortogonalnim ravnima svih linija koje spajaju posmatrani čvor sa susednim (ili svim ostalim čvorovima), pri čemu odgovarajuću ćeliju, oblika poliedra najmanje zapremine, formiraju presečne ravni. Na slici sa prethodnog slajda, Vigner-Zajcove ćelije prikazane su na desnoj strani.

• Strukturni motiv i kristalna struktura

• Rotaciona i druge vrste simetrije

• 14 kristalnih rešetki i 230 kristalnih struktura

Mreža u vidu saća je 2D Braveova rešetka sa tačkama u temenima jednakostraničnih trouglova sa dvoatomskim bazisom. Paralelogrami na desnoj slici predstavljaju jedan mogući izbor primitivne ćelije.

• Od posebnog značaja su materijali koji kristališu po kubičnom kristalnom sistemu, tj. imaju elementarnu ćeliju oblika kocke, a kao najznačajniji tipovi se javljaju:

– Prostorno centrirana kubična struktura (α-Fe, α-W, α-Cr…)– Površinski centrirana kubična struktura (γ-Fe, β-Co, β-Ni…).– Dijamantska kubična struktura je najznačajnija za elektrotehniku,

jer po njoj kristališu IV-valentni elementi (Si, Ge, C) – Sfaleritna kubična struktura je veoma značajna za elektrotehniku,

jer po njoj kristališu III-V jedinjenja (GaAs, InP, InSb…) – NaCl-kubična struktura je manje značajna za elektrotehniku, a po

njoj kristališu I-VII jedinjenja (NaCl, KCl, NaBr…)

• Jedna od najrasprostranjenijih nekubičnih rešetki u prirodi je heksagonalna gusto pakovana kristalna rešetka (HGP) po kojoj krištališu neki važniji elementi.

aa

a

c

Značajne kristalne strukture

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Elementarne ćelije (a) unutrašnjecentrirane kubične rešetke (UCKR), (b) površinskicentrirane kubične rešetke (PCKR), (c) heksagonalne gusto pakovane kristalne rešetke (HKR), (d) dijamantske kubične rešetke, (e) sfaleritne kubične rešetke, (f) NaCl‑kubične rešetke.

Karakteristike nekoliko tipova kristalnih rešetki

Karakteristike

Prostorno- centrirana kubična rešetka

Površinski- centrirana kubična rešetka

Dijamantska

kubična rešetka

Heksagonalna

gusto pakovana

rešetka

Koordinacioni broj 8 12 4 12

Atomski poluprečnik r, izražen preko parametra rešetke a

a

43

a

42

a

83

a

2

Broj atoma u elementarnoj ćeliji

2 4 8 6

Relativna gustina pakovanja

3

80 68 ,

2

60 74 ,

3

160 34 ,

2

60 74 ,

Atomske ravni i Milerovi indeksi

Šematski prikaz geneze Milerovih indeksa ravni (hkl)

h k ls s s

: : : :1 1 1

1 2 3 minceo

Predstavnici skupina ravni označenih Milerovim indeksima za prostu kubičnu Braveovu rešetku

Zbog simetrije rešetke, neke skupine atomskih ravni su ekvivalentne. Sve skupine atomskih ravni koje su usled simetrije kristala ekvivalentne skupini (hkl) označavaju se jedinstvenim simbolom {hkl}.

Na primer, u kubičnoj rešetci, ravni (100), (010) i (001) su fizički ekvivalentne i nose oznaku {100}.

Razlozi simetrije nameću fizičku ekvivalentnost nekih pravaca u kristalu. Na primer, u kubičnom kristalu pravci [100], [010], [001], [100], [010], [001], nazivaju se pravcem <100>.

Oznaka 1 označava komponentu sa znakom minus, -1.

- --

-

Za prostu kubičnu rešetku sa parametrom rešetke a, rastojanje između susednih ravni skupine je:

Za označavanje pravca u kristalnoj rešetki koristi se oznaka [n1n2n3], gde su n1, n2 i n3 tri najmanja cela broja čiji je odnos n1:n2:n3 jednak odnosu dužina (u jedinicama a1, a2 i a3) komponenti vektora pravca po osama a1, a2 i a3.

Prostorna dijagonala kubične rešetke leži na pravcu [111].

Generalno, čvor rešetke n1a1 + n2a2 + n3a3 leži na pravcu [n1n2n3] u odnosu na čvor usvojen za koordinatni početak.

HEMIJSKE VEZE I SVOJSTVA MATERIJALA

• Pravilna geometrijska forma monokristala posledica je pravilne raspodele hemijskih veza izmedju atoma, jona i molekula u čvrstom stanju.

• Elektronska struktura atoma koji izgrađuju materijale određuje prirodu hemijskih veza u njima kao i prostornu uređenost njihove strukture, što sa svoje strane utiče na različita svojstva materijala.

• Fizičke interakcije koje se ispoljavaju između strukturnih jedinica u kristalu.

• Pravilna geometrijska forma kristala svedoči o tome da među njegovim strukturnim jedinicama postoje privlačne sile, koje se na rastojanjima 10-10 m uravnotežavaju odbojnim silama. Pri takvoj konfiguraciji strukturnih jedinica kristal poseduje minimalnu potencijalnu energiju, što odgovara stabilnom stanju kristala.

• Za r < r0 između strukturnih jedinica u kristalu preovlađuje odbojna interakcija, koja ima u svojoj osnovi kvantnomehaničko poreklo. Pri takvom zbližavanju atoma (jona) dolazi do uzajamnog prodiranja elektronskih oblaka. Pošto Paulijev princip isključenja ne dozvoljava da se dva ili više elektrona nalaze u istom kvantnom stanju, to dolazi do snažnog odbijanja pomenutih atoma (jona).

• Ukoliko se, pak, dva atoma (jona) u kristalu nađu na rastojanju r > r0 između njih preovlađuje privlačna interakcija. Uobičajena je podela ovih interakcija na jonske, kovalentne, metalne i molekularne (Van-der-Valsove i vodonične).

Prikaz odbojne, privlačne i rezultantne sile, kao i njihovi doprinosi potencijalnoj energiji sistema sastavljenog od dve strukturne jedinice (smeštene u tačkama O i A).

Dovođenjem energije kristalu, njegova temperatura raste, baš kao i energija vibracija strukturnih jedinica. Zbog asimetričnosti potencijalne krive U(r), položaj ravnoteže r0 pomera se udesno. Drugim rečima, srednje rastojanje između strukturnih jedinica kristala se povećava, čime se i objašnjava mehanizam toplotnog širenja tela, kao i promena agregatnog stanja.

Jonske veze

Jonske veze se uspostavljaju između elektropozitivnih (I-valentnih) i elektronegativnih (VII-valentnih) atoma, od kojih prvi predaju drugima jedan valentni elektron, čime nastaju stabilne elektronske konfiguracije.

Primer: NaCl kristal

• Jonske veze su čisto elektrostatičke prirode, i omogućavaju međusobno privlačenje suprotno naelektrisanih jona, tako da je svaki pozitivan jon okružen negativnim, i obrnuto. Ove veze su dugodometne, nezasićene i neusmerene, pošto elektrostatičke interakcije susednih jona ne isključuju takve interakcije daljih suseda.

• Materijali sa jonskim vezama imaju slabu sposobnost obrade deformacijom zbog narušavanja električne ravnoteže između susednih jona, koji se protive promeni prostornog rasporeda. Oni su zato mahanički čvrsti i tvrdi, ali i krti.

• Materijali sa jonskim vezama imaju izolaciona električna svojstva u čvrstom stanju jer nemaju slobodnih elektrona, ali se u vodenim rastvorima ponašaju kao elektroliti pošto disosuju na pokretne pozitivne i negativne jone.

Kovalentne veze se formiraju zajedničkim valentnim elektronskim parovima, pošto nijedan od atoma nema popunjenu valentnu elektronsku ljusku pa kroz obrazovanje zajedničkih valentnih parova atomi postižu stabilnu elektronsku konfiguraciju.

Primer: IV-valentni kristali

• Kovalentne veze su kvantne prirode, i omogućavaju privlačenje samo najbližih susednih atoma.

• Zbog usmerenosti, zasićenosti i jačine kovalentnih veza, materijali sa jednostrukim kovalentnim σ-vezama imaju malu sposobnost obrade deformacijom, pa su zato mehanički čvrsti i tvrdi, ali i krti. Izuzetak su termoplastični i elastomerni biopolimeri, koji zbog slabih interakcija između lanaca i/ili savitljivosti lanaca imaju veliku sposobnost deformacije.

• Materijali sa jednostrukim kovalentnim σ-vezama u čistom stanju slabo provode električnu struju jer su svi valentni atomi čvrsto vezani između susednih atoma. Međutim, materijali sa konjugovanim kovalentnim vezama (grafit, fulereni, nanotube, provodni polimeri) mogu dobro da provode električnu struju zbog prisustva i slabo vezanih π-elektrona u dvostrukim kovalentnim vezama.

Prikaz obrazovanja kovalentnog kristala Si

Kovalentne veze

Metalne veze

Metalne veze su rezultat interakcija sveukupnosti pozitivnih jona i negativnog elektronskog "gasa", valentnih elektrona, delokalizovanih zbog nemogućnosti formiranja stabilnih spoljašnjih elektronskih ljuski atoma ili jona na jedan od dva prethodna načina.

Primer: III-valentni kristali

• Metalne veze su kvantne prirode, ali su dugodometne, neusmerene i nezasićene.

• Materijali sa metalnim vezama imaju dobru sposobnost obrade deformacijom, jer elektronski "gas" lako prati deformaciju jonske kristalne rešetke obezbeđujući energetsku stabilnost deformisanog metala.

• Materijali sa metalnim vezama imaju odličnu električnu i toplotnu provodnost, zbog slabo vezanog elektronskog "gasa“ u metalu.

• Takvo ponašanje pokazuju čvrsta tela I-valentnih (Cu, Ag, ...), II-valentnih (Zn, ...), III-valentnih (Al, ...) ali i nekih drugih elemenata (Fe, Ni, Co, Cr, Ti, …) i njihovih legura.

Dipolne veze (Van-der-Valsove)

Dipolne veze su znatno slabije od gore navedenih primarnih hemijskih veza. Javljaju se kao veze izmedju asimetričnih molekula.

• Dipolne veze su kulonovske prirode i obično se javljaju kao veze između asimetričnih polarnih molekula, kod kojih je jedan kraj elektronegativniji a drugi elektropozitivniji, kao i između fluktuacionih i indukovanih dipola.

• Ove veze su od značaja za mehanička svojstva termoplastičnih polimera kao i tečnih kristala, zbog pojačanih dipolnih interakcija bliskih linearnih makromolekula.

• Ove veze su od značaja i za dielektrična svojstva termoplastičnih polimera, kao i elektrooptička svojstva tečnih kristala.

Vodonične veze

Prelazni tip izmeđujonske i Van der Valsove veze.

Jača je od Van der Valsove veze, ali slabija od ostalih tipova veze.

• Uspostavlja se između vodonika i elektronegativnih elemenata male zapremine atoma (N, O, F). Atom vodonika uobičajeno stvara jednu kovalentnu vezu, ali zbog jakog elektrostatičkog polja protona može formirati sa elektronegativnim jonima i jonsku vezu.

Uporedne karakteristike veza

Elektronska energija veze (kohezije) se ponekad koristi kao kriterijum zaklasifikaciju elektrotehničkih materijala na dielektrike, poluprovodnike i provodnike.

Hemijske veze - zaključak

Savremene predstave o fizičkoj prirodi hemijskih veza baziraju se na fundamentalnoj pretpostavci o zajedničkom efektu dugodometnih kulonovskih sila i kratkodometnih sila preklapanja elektronskih oblaka.

Četiri tipa veza ne javljaju se u čistom obliku, već samo jedan od tipova interakcija preovlađuje nad drugim i time određuje svojstva jedinjenja.

Različiti tipovi međuatomskih veza se samo kvantitativno razlikuju po raspodeli elektronske gustine između atoma, a nikako u kvalitativno različitim prirodama interakcije. Moglo bi se reći da se različiti tipovi veze svode, u suštini, na različiti stepen kolektivizacije elektrona među atomima u materijalu.

Odstupanja od periodičnosti u kristalu.

Prema broju dimenzija koje zauzimaju dele se na:

–Tačkaste - lokalizovane na nivou pojedinačnih atoma:Šotkijevi defekti (vakancije)Frenkeljevi parovi (vakancija + intersticijski (međučvorni) atom)Primesni atomi (supstitucijski ili intersticijski)

–Linijske - dislokacije (zavojne i ivične)

–Površinske - granice zrna u polikristalu

–Zapreminske - makroskopske (pore i pukotine)

NESAVRŠENOSTI U KRISTALNOJ STRUKTURI

SLIKA 9.7

a) Šotkijevi defekti, b) Frenkeljev defekt

Tačkaste nesavršenosti

SLIKA 9.7

Šematski ravanski prikaz kristala silicijuma (Si) u kome je jedan atom Si zamenjen: (a) V-valentnim fosforom (P); (b) III-valentnim borom (B).

Za teoriju i praksu poluprovodnika od naročitog značaja su supstitucijski čvrsti rastvori kristala silicijuma i primesnih atoma iz III i V grupe periodnog sistema elemenata.

Tačkaste nesavršenosti

Primese: nečistoće ili dopanti (supstitucijski i intersticijski čvrsti rastvori)

SLIKA 9.7

Nasuprot poluprovodnicima, kod metala je pristustvo primesa štetno, jer dovodi do pojačanog rasejanja provodnih elektrona pri proticanju električne struje, što povećava električnu otpornost metala.

Supstitucijske primese moguće su samo ako se poluprečnik primesnog atoma ne razlikuje za više od 15% od atoma osnovnog kristala, jer se inače javljaju nedopustiva naprezanja u kristalu.

Intersticijske primese mogu da se jave samo ako im je poluprečnik manji od 59% poluprečnika atoma osnovnog kristala, zbog veličine preostalog međuatomskog prostora u rešetki (ovo je naročito kritično kod metala, gde su atomi u kristalu gusto upakovani).

Tačkaste nesavršenosti

SLIKA 9.7

Linijske nesavršenosti: (a) ivične i (b) zavojne dislokacije

Linijske nesavršenosti - dislokacije

Narušenja pravilne kristalne strukture duž neke linije koja se završava na površini kristala

SLIKA 9.7

Zavojna dislokacija

Linijske nesavršenosti - dislokacije

Interakcije dislokacija sa tačkastim defektima u kristalu odgovorne su za povećanu mehaničku čvrstoću realnih slabo pripremljenih kristala, kod kojih broj vakancija nije smanjen zagrevanjem, pa potom laganim hlađenjem do sobne temperature, u odnosu na one pažljivo pripremljene.Pokazuje se da interakcije sa tačkastim defektima sprečavaju širenje dislokacija, što rezultira u povećanoj čvrstoći kristala.Savršen kristal je ipak najveće čvrstoće, ali ovakav kristal je izuzetno teško napraviti, s tim što ako već ima dislokacija u kristalu, onda je bolje da ima i ostalih defekata, koji sprečavaju razvoj dislokacija pri mehaničkom naprezanju.

Dislokacije nastaju pri rastu kristala, a mogu da budu i rezultat mehaničkih naprezanja u kristalu. Brzina rasta monokristala je povezana sa rastom oko zavojne dislokacione linije.Ako se pretpostavi da su kristali savršeni i da rastu sloj po sloj, taj bi proces bio veoma spor zbog slabe privlačne sile koju ostvaruje savršena kristalna ravan na atom (a). Veća privlačna sila ostvaruje se na atom u kristalnom "stepeniku" (b), a još veća u "uglu" (c).Ipak, u svim tim slučajevima pojavljuje se problem "nukleacije sledećeg sloja". Ovo se uspešno razrešava ako se pretpostavi da se rast kristala vrši oko zavojne dislokacije (d), čime teorija i eksperiment postižu usaglašenost u pogledu brzine rasta kristala.

ČVRSTI NEKRISTALNI MATERIJALI

Čvrsti nekristalni materijali dele se na:

• amorfne

• tečnokristalne

• polimerne

• kompozitne

• Amorfni materijali imaju nadmolekularnu strukturu čije je najbliže okruženje blisko onom u monokristalu odgovarajućeg sastava, ali je dalje okruženje veoma neuređeno.

2D model a) kristala i b) amorfnog materijala

Amorfni materijali

• Zbog odsustva daljeg uređenja amorfni materijali su izotropni, tj. imaju ista fizička i hemijska svojstva u svim pravcima; osim toga, nemaju određenu temperaturu topljenja.

• Po svojstvima, amorfni materijali podsećaju na tečnosti, pa se često opisuju kao pothlađene ili prehlađene tečnosti. Naglim očvršćavanjem iz tečne faze mogu nastati amorfne strukture nekih čvrstih materijala, sa zamrznutim rasporedom atoma iz tečnog stanja.

• Tipični primeri amorfnih materijala su stakla. Na primeru stakla uočava se da je amorfno stanje nestabilno u dužem vremenskom periodu, jer ono vremenom prelazi u polikristalno - kaže se da staklo "stari". Ovaj proces može da traje godinama.

• Veoma značajna primena amorfnih materijala je u izradi kvarcnih (SiO2) optičkih vlakana u optičkim telekomunikacijama (zbog minimalnih gubitaka svetlosne energije u ovim optički homogenim materijalima), kao i bioaktivnih staklo-keramika.

Amorfni materijali

• Tečni kristali su, u stvari, mnogobrojna stanja materije, čije je strukturno uređenje između tečnosti (fluidnost i viskoznost) i kristala (anizotropnost i postojanost unutrašnje strukture).

• Tečni kristali se uglavnom javljaju u jedinjenjima čiji su molekuli po obliku vrlo nesimetrični, i pri povišenju temperature još uvek se drže bočnim vezama, obrazujuči tečnokristalno stanje.

• Primer jednog tipa tečnokristalnog stanja prikazan je na slikama b i c, gde su uporedno prikazane strukture kristalnog i tečnog stanja, a i d.

Stepeni uređenosti: a) kristalno stanje - orijentacija i periodičnost, b) smektičko tečnokristalno stanje - orijentacija i uređenje u vidu ekvidistantnih ravni, ali u samim ravnima ne postoji periodičnost, c) nematsko tečnokristalno stanje - orijentacija bez periodičnosti i d) izotropna tečnost - nema orijentacije, niti periodičnosti

Tečni kristali

• Polimeri se sastoje od dugolančanih molekula, koji se sintetizuju od niskomolekularnih molekula (monomera) postupcima polimerizacije (spajanje istih monomera), polikondenzacije (različiti monomeri, uz izdvajanje sporednih proizvoda, najčešće vode) ili poliadicije (spajanje različitih monomera, bez izdvajanja sporednih proizvoda).

• Zavisno od stepena uređenja dugolančanih makromolekula, polimeri mogu da budu u kristalnom, amorfnom (staklastom), tečnokristalnom ili tečnom (viskofluidnom) nadmolekularnom stanju.

• Međutim, za polimere je karakteristično i tzv. gumasto stanje, u kojem je polimerni materijal podložan izvanredno velikim elastičnim mehaničkim deformacijama.

• Polimeri nalaze primene u elektrotehnici pre svega zbog odličnih izolacionih svojstava, mada je poslednjih godina postignuta sinteza i provodnih polimera sa mogućnostima nanoelektronske i optoelektronske primene.

• Neki polimeri u veoma rastegutom stanju imaju mehaničku čvrstoću uporedivu sa čelikom, uz višestruko manju težinu i cenu, što omogućava njihovu primenu kao izuzetno lakih i čvrstih konstrukcionih materijala.

• Polimeri su izuzetno značajni biomaterijali.

Polimeri

Polimeri

Polimerni lanci u gumastom stanju: (a) rastegnuti; (b) skupljeni.

• Kompoziti se dobijaju kombinovanjem dva materijala, tako da se dobiju karakteristike koje nema nijedan od dva materijala pojedinačno. Po konstrukciji mogu biti česticni, vlaknasti ili slojeviti (sl. a-c).

• Matrica u kompozitu ima veću plastičnost i žilavost, dok su čestice, vlakna ili pojedini slojevi povećane čvrstoće i tvrdoće. Na taj način, dobija se materijal velike čvrstoće, tvrdoće, plastičnosti i žilavosti, a ukoliko je matrica laka i male težine.

• Kompoziti mogu biti metal-metal, metal-keramika, metal-polimer, keramika-polimer, keramika-keramika ili polimer-polimer, zavisno od zahtevanih elektrotehničkih, mehaničkih, biomedicinskih zahteva, ili temperaturskih i gabaritnih svojstava.

Kompoziti

• Primarna molekularna struktura polimera određena je rasporedom karika u polimernom lancu (a), posredstvom jakih kovalentnih veza.

• Sekundarna molekularna struktura polimera određena je prostornom konformacijom karika u lancu polimera (b). Uzorak realnog polimera je dinamička smeša svih mogućih tipova konformera (rotacionih izomera, uslovljenih slabim hemijskim vezama).

• Tercijarna molekularna struktura polimera dobija se sklupčavanjem konformera u manje (klupko) ili više (globula) kompaktnu formu (c), kao rezultat toplotnih efekata i slabih hemijskih interakcija.

• Kvaternarna nadmolekularna struktura polimera dobija se prostornim slaganjem tercijalnih struktura, po principu najgušćeg pakovanja, koji obezbeđuje mimumum energije slabih međuglobularnih interakcija po jedinici zapremine takvog molekularnog kristala (d).

Za biologiju su posebno značajne slabe hemijske veze, jer omogućavaju brzo raskidanje i spajanje posredstvom fermenata/enzima, katalizatora koji snižavaju potencijalne energije barijera biohemijskih reakcija do ~ kT. Kao rezultat, sinteza biopolimera, molekulske težine i do 109, može da se odigra za manje od 1 min.

NADMOLEKULARNE STRUKTURE POLIMERA

Šematski prikaz tipova prostorne strukture polimera na primeru polietilena:

(a)primarna (hemijska) struktura; (b)nekoliko tipova sekundarne (konformacione) strukture, sa projekcijom hemijskih veza (dve karike) na ravan normalnu na zajedničku C-C vezu u polimernom lancu (položaji bližih kovalentnih veza prikazani su punim linijama, a onih daljih isprekidanim), uz prikaz zavisnosti potencijalne energije konformacije od ugla rotacije susedne karike oko zajedničke C-C veze; (c)dva tipa tercijarne strukture (klupko i globula), nastalih kao rezultat toplotnih efekata i slabih hemijskih interakcija; (d)kvaternarna struktura, nastala slaganjem tercijarnih, po principu najgušćeg pakovanja.