Samomouporządkowanie i samoorganizacja w materiałach – podstawy

Skoro zamieściłem już i pokrótce omówiłem podstawy,dotyczące samoorganizacji,pora przejść do kwestii praktycznych. Przede wszystkim,co oczywiste samoczynnie tworzenie się złożonej struktury w materiałach zachodzi głównie w stanach pośrednich pomiędzy stanem płynnym a krystalicznym. Kryształ jest bowiem nazbyt stabilną (termodynamicznie i nie tylko) strukturą,natomiast ciecz – wprost przeciwnie.
Jednocześnie jednak materiał taki jest w jakiś sposób uporządkowany – zwykle od klasycznej skali nano,po skalę rzędu jednego lub kilku mikronów (µm). Nie mówimy tu jednak o ścisłym uporządkowaniu,ale o relatywnym uporządkowaniu w skalach nanoskopowych i mezoskopowych (artykuł po angielsku o fizyce zjawisk mezoskopowych do przeczytania na wikipedii).

Jeśli chodzi o materiały, podlegające samouporządkowaniu i samoorganizacji – przynajmniej w najbardziej prymitywnych jego formach – powiązane są z nim szczególnie:

Natomiast do substancji,których rola w samoorganizacji i samouporządkowaniu jest bardziej kompleksowa zaliczamy np:

Samym samouporządkowaniem w materiałach, w dużej części zajmuje się dziedzina chemii, znana jako chemia supramolekularna ,zaś pod względem chemicznym, dużą rolę w samoorganizacji odgrywają np: odpowiednia geometryczna struktura cząsteczek, wynikająca z hybrydyzacji elektronowej,ruchy browna i ruch cząsteczek,przemiany fazowe i zjawiska termodynamiczne, oraz wiązania chemiczne wodorowe i van der Waalsa. Istotną rolę odgrywają też prawdopodobnie wiązania wielokrotne i zjawiska elektrostatyczne, czy wiele innych zjawisk.Cała sprawa jest bardziej skomplikowana,niż się to na pierwszy rzut oka wydaje,a same zjawiska związane z samoorganizacją są nadal badane.

Należy jasno zaznaczyć,że nie ma w tym nic dziwnego,że samoorganizacja wymaga jednak sprzyjających warunków. Życie na dobrą sprawę też wymaga,a badane obecnie procesy samoorganizacji, z oczywistych przyczyn – poza samoorganizacją, związaną z dostępnymi już związkami organicznymi dotyczą zjawisk,których kompleksowość jest stosunkowo ograniczona,a tym samym możliwa do pojęcia przez człowieka.

Należy pamiętać,że chodzi tu o stosunkowo proste zjawiska, w porównaniu np. z kompleksowością zachowania komórki.Naukowo udowodniono istnienie tzw. „fal metabolicznych” w komórce, związanych z równowagą chemiczną i adhezją itd,niemniej badania nad dokładnym przebiegiem tych bardzo szybkich i kompleksowych zjawisk wciąż trwają.

Zastosowanie w praktyce samoorganizacji ma dość istotne znaczenie w rozwoju inżynierii materiałowej.Niewątpliwie, największe sukcesy osiągane są w związkach organicznych i metaloorganicznych – jednak nie tylko. Dużym sukcesem jest wytwarzanie w oparciu o metodologię samoorganizacji – dzięki doborowi odpowiednich związków chemicznych nanokrystalicznych cząstek o kontrolowanym rozmiarze,a nawet produkcja kropek kwantowych – których potencjał w medycynie,plazmonice itd jest naprawdę ogromny („czapka niewidka” lub kubity w komputerach kwantowych, to tylko przykład ich zastosowań).

Kluczem do uzyskania nanokrystalitów dzięki metodologii samouporządkowania, jest odpowiedni dobór substancji powierzchniowo czynnych i nie tylko.Dzięki zastosowaniu związków amfifilowych lub supra-amfifilowych,a następnie ich odpowiedniemu usunięciu.Brzmi prosto,proste nie jest,ponieważ chemicznie procesy te opierają się na złożonym doborze równowagowych warunków pomiędzy przyciąganiem a odpychaniem i wymagają bardzo dokładnej kontroli procesu.

Oczywiste twierdzenia na temat materiałów nie są oczywiste.

Większość osób uważa,że szkła są kruche i łatwo pękają.Nie jest to jednak prawda,ponieważ już w 2011 roku znano szło metaliczne na bazie palladu wytrzymalsze od stali. Mało tego. W świetle stosunkowo niedawnych badań z Lutego 2013 ,przeprowadzonych na uniwersytecie Yale teoretycznie istnieje specyficzna dla każdego szkła prędkość chłodzenia, od której  zależy czy szkło będzie kruche czy nie.Generalnie małe prędkości chłodzenia sprzyjają kruchości szkła.Co prawda możliwość uzyskania bardziej plastycznych szkieł jest raczej teoretyczna,ale – jest.

https://i0.wp.com/images.sciencedaily.com/2011/01/110110121709-large.jpg

Wspomniałem o szkłach metalicznych.Otóż właśnie.To wbrew pozorom nie jest nonsens,metal również oprócz swojej klasycznej postaci krystalicznej może być przeprowadzony w stan zeszklony. Potrzebna jest do tego odpowiednia prędkość chłodzenia,więc takie szkła raczej nie będą często tak kruche jak szyba.Choć być może…

W praktyce, co prawda to co nazywamy szkłami metalicznymi i szkłami fachowo określa się jako ciała amorficzne,tym niemniej mówimy tu w praktyce o tym samym obiekcie fizycznym. I oczywiście szkło naturalne, wbrew pozorom nie jest tak do końca amorficznym ciałem. Szkła metaliczne też tak do końca nie muszą. W praktyce czystość danej formy nie jest raczej naturalna.

Twierdzi się,że z natury szkło jest ciałem stałym. W istocie jeśli chodzi o stan skupienia – tak,jednak jeśli chodzi o strukturę, jest ono rodzajem zamarzniętego przechłodzonego płynu. Jest raczej ważne by używać określenia „zamarznięty” ze względu na „miejską legendę” z którą niektórzy walczą – wg której w długotrwałym okresie czasu szkło zachowuje się jak płyn. Otóż owszem – rodzaj płynu – jednak taki, który właściwie utracił zdolność płynięcia.To zresztą uproszczenie,a na zachowanie szkła takie jak samoistne płynięcie w dłuższych okresach czasu nie ma podobno mocnych dowodów. Ale szkło raczej różni się od innych ciał stałych, ponieważ w temperaturach bliskich zera bezwzględnego może się… topić,jak sugerują badania z 2011 opisane tutaj.

Czy zatem materiały mogą być szkliste, albo krystaliczne lub polikrystaliczne w swojej stałej postaci ? To też nie jest takie proste,choć naukowcom przez wiele lat wydawało się że tak właśnie jest.Niektóre materiały są np w formie Kwazikrystalicznej. Odkrycie kwazikryształów posiadających zabronioną przez klasyczną krystalografię i zabronioną przez warunek translacji 5-krotną (a także jak okazało się później i inne) oś symetrii było dość szokujące i uderzyło w klasyczny paradygmat inżynierii materiałowej.

I co np. z ciekłymi kryształami ? Być może posiadasz właśnie monitor ciekłokrystaliczny.One też nie są takimi klasycznymi kryształami.

Niektórym ludziom wydaje się,że „kryształy są piękne”. No nie wszystkie są aż tak piękne, kostki cukru czy kryształy insuliny np:

Kryształ insuliny - wikipedia

Innym popularnym mitem jest to,że im grubszy (i cięższy) materiał tym bardziej wytrzymały produkt. Nie jest tak do końca,i nie chodzi tu tylko o umocnienie materiału, czy zastosowanie lepszych materiałów lub ich kompozytów.W praktyce bowiem, bardzo cienkie warstwy (zaznaczam jednak: mówimy o skali dużo poniżej 1 milimetra,ba, często poniżej mikrona !)  potrafią być odporniejsze mechanicznie niż te grubsze. A jeśli chodzi o wytrzymałość materiałów, to pomimo najmniejszej aktualnie możliwej masy, aerożele mogą wytrzymać nacisk 4000 razy większy niż ich masa.

Cegła o masie 2,5 kg położona na ważącym 2 gramy aerożelu-wikipedia

Co prawda niestety, aerożele są bardzo kruche i mało odporne np. na skręcanie,niektórym z nich może zaszkodzić też woda,ale mimo wszystko ich zdumiewające właściwości mają znaczenie praktyczne.

I tym na dzisiaj kończę,niestety tego tematu nie da się wyczerpać jednym artykułem.Jedną książką zresztą też…