Structure of liquids and glasses
तरल पदार्थों, चश्मे और अन्य गैर-क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों की संरचना की विशेषता लंबी दूरी के क्रम की अनुपस्थिति है जो क्रिस्टलीय पदार्थों को परिभाषित करती है। हालाँकि, तरल और अनाकार ठोस पदार्थों में लघु से मध्यम श्रेणी के क्रम की एक समृद्ध और विविध सरणी होती है, जो रासायनिक बंधन और संबंधित अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होती है। उदाहरण के लिए, धातु के चश्मे, आमतौर पर कठोर क्षेत्रों के घने यादृच्छिक पैकिंग द्वारा अच्छी तरह से वर्णित होते हैं, जबकि सिलिकेट चश्मे जैसे सहसंयोजक प्रणालियों में विरल रूप से पैक, दृढ़ता से बंधे, टेट्राहेड्रल नेटवर्क संरचनाएं होती हैं। इन बहुत अलग संरचनाओं के परिणामस्वरूप बहुत अलग भौतिक गुणों और अनुप्रयोगों वाली सामग्री होती है। तरल और कांच की संरचना के अध्ययन का उद्देश्य उनके व्यवहार और भौतिक गुणों में अंतर्दृष्टि प्राप्त करना है, ताकि उन्हें समझा जा सके, भविष्यवाणी की जा सके और विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए तैयार किया जा सके। चूंकि तरल पदार्थों और चश्मे की संरचना और परिणामी व्यवहार एक जटिल कई शरीर की समस्या है, ऐतिहासिक रूप से यह सीधे क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके हल करने के लिए बहुत कम्प्यूटेशनल रूप से गहन रहा है। इसके बजाय, विभिन्न प्रकार के विवर्तन, एन. एम. आर., आणविक गतिकी और मोंटे कार्लो अनुकरण तकनीकों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। युग्म वितरण कार्य और संरचना कारक किसी पदार्थ का युग्म वितरण कार्य (या युग्म सहसंबंध कार्य) किसी अन्य परमाणु से आर के पृथक्करण पर एक परमाणु को खोजने की संभावना का वर्णन करता है। तरल या कांच के g बनाम r का एक विशिष्ट प्लॉट कई प्रमुख विशेषताओं को दर्शाता हैः छोटे पृथक्करण (छोटे r) पर, g (r) = 0। यह परमाणुओं की प्रभावी चौड़ाई को इंगित करता है, जो उनके दृष्टिकोण की दूरी को सीमित करता है। कई स्पष्ट चोटियाँ और गर्त मौजूद हैं। ये चोटियाँ इंगित करती हैं कि परमाणु निकटतम पड़ोसियों के 'कोश' में एक दूसरे के चारों ओर पैक होते हैं। आमतौर पर जी (आर) में पहला शिखर सबसे मजबूत विशेषता है। यह पहले कोश में पड़ोसी परमाणुओं के बीच महसूस किए गए अपेक्षाकृत मजबूत रासायनिक बंधन और प्रतिकर्षण प्रभावों के कारण है। केंद्र से बढ़ती रेडियल दूरी पर शिखरों का क्षीणन केंद्र कण से क्रम की घटती डिग्री को इंगित करता है। यह तरल पदार्थों और चश्मे में "लंबी दूरी के क्रम" की अनुपस्थिति को स्पष्ट रूप से दर्शाता है। लंबी सीमा पर, जी (आर) 1 के सीमित मूल्य तक पहुँचता है, जो सामग्री के मैक्रोस्कोपिक घनत्व से मेल खाता है। स्थैतिक संरचना कारक, S (q), जिसे विवर्तन तकनीकों के साथ मापा जा सकता है, फूरियर परिवर्तन द्वारा इसके संबंधित g (r) से संबंधित है जहां q संवेग हस्तांतरण सदिश का परिमाण है, और ρ सामग्री का संख्या घनत्व है। g (r) की तरह, तरल पदार्थों और चश्मे के S (q) पैटर्न की कई प्रमुख विशेषताएं हैंः मोनो-परमाणु प्रणालियों के लिए S (q = 0) सीमा सम-तापीय संपीड़नशीलता से संबंधित है। इसके अलावा निम्न-क्यू सीमा पर वृद्धि सामग्री में बड़े पैमाने की संरचना या रिक्त स्थान के कारण छोटे कोण के प्रकीर्णन की उपस्थिति को इंगित करती है। एस (क्यू) में सबसे तेज चोटियाँ (या गर्त) आमतौर पर क्यू = 1-3 एंगस्ट्रॉम सीमा में होती हैं। ये आम तौर पर जी (आर) में दूसरे और उच्च समन्वय कोशों में संरचना के अनुरूप कुछ मध्यम सीमा क्रम की उपस्थिति का संकेत देते हैं। उच्च-क्यू पर संरचना आम तौर पर एक क्षयकारी साइनसॉइडल दोलन होती है, जिसमें 2π/r1 तरंग दैर्ध्य होता है जहाँ r1, g (r) में पहली खोल शिखर स्थिति होती है। बहुत उच्च-क्यू पर एस (क्यू) अपनी परिभाषा के अनुरूप 1 की ओर जाता है। विवर्तन तरल पदार्थों और चश्मे में लंबी दूरी के क्रम की अनुपस्थिति का प्रमाण एक्स-रे और न्यूट्रॉन विवर्तन में ब्रैग शिखरों की अनुपस्थिति से मिलता है। इन समस्थानिक पदार्थों के लिए, विवर्तन पैटर्न में गोलाकार समरूपता होती है, और रेडियल दिशा में, विवर्तन तीव्रता में एक चिकनी दोलन आकार होता है। इस विवर्तन तीव्रता का विश्लेषण आमतौर पर स्थिर संरचना कारक, S (q) देने के लिए किया जाता है, जहाँ q को q = 4π sin (θ)/λ द्वारा दिया जाता है, जहाँ 2θ प्रकीर्णन कोण (घटना और बिखरे हुए क्वांटा के बीच का कोण) है, और λ जांच (फोटॉन या न्यूट्रॉन) की घटना तरंग दैर्ध्य है। आमतौर पर विवर्तन माप एक एकल (एकवर्णी) λ पर किए जाते हैं, और विवर्तन तीव्रता को 2θ कोणों की एक सीमा पर मापा जाता है, ताकि q की एक विस्तृत श्रृंखला दी जा सके। वैकल्पिक रूप से λ की एक सीमा का उपयोग किया जा सकता है, जिससे तीव्रता माप को 2θ की एक निश्चित या संकीर्ण सीमा पर लिया जा सकता है। एक्स-रे विवर्तन में, इस तरह के माप को आम तौर पर "ऊर्जा फैलाव" कहा जाता है, जबकि न्यूट्रॉन विवर्तन में इसे आम तौर पर "उड़ान का समय" कहा जाता है जो उपयोग की जाने वाली विभिन्न पहचान विधियों को दर्शाता है। एक बार प्राप्त करने के बाद, एक एस (क्यू) पैटर्न को एक संबंधित रेडियल वितरण कार्य (या जोड़ी सहसंबंध कार्य) प्रदान करने के लिए फूरियर में परिवर्तित किया जा सकता है, जिसे इस लेख में जी (आर) के रूप में दर्शाया गया है। एक समस्थानिक पदार्थ के लिए, S (q) और उसके अनुरूप g (r) के बीच का संबंध है g (r), जो किसी अन्य परमाणु से अलग होने पर एक परमाणु को खोजने की संभावना का वर्णन करता है, परमाणु संरचना का अधिक सहज ज्ञान युक्त विवरण प्रदान करता है। एक विवर्तन माप से प्राप्त जी (आर) पैटर्न सामग्री में सभी जोड़ी सहसंबंधों के एक स्थानिक और तापीय औसत का प्रतिनिधित्व करता है, जो आपतित किरण के साथ उनके सुसंगत क्रॉस-सेक्शन द्वारा भारित होता है। परमाणु अनुकरण परिभाषा के अनुसार, g (r) केंद्र से r की दूरी पर स्थित खोल के दिए गए आयतन के भीतर पाए जाने वाले कणों की औसत संख्या से संबंधित है। किसी अन्य परमाणु से दी गई त्रिज्यीय दूरी पर परमाणुओं का औसत घनत्व इस सूत्र द्वारा दिया जाता हैः जहाँ n (r) दूरी r पर Δr चौड़ाई वाले कोश में परमाणुओं की औसत संख्या है। एक सिमुलेशन बॉक्स के g (r) की गणना निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके कण पृथक्करण को हिस्टोग्राम करके आसानी से की जा सकती है जहाँ Na एक कण की संख्या है, |rij। कणों की जोड़ी i, j के पृथक्करण का परिमाण है। प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा, गिब्स मुक्त ऊर्जा, एन्ट्रापी और एन्थैल्पी जैसे मैक्रोस्कोपिक थर्मोडायनामिक मापदंडों की गणना करने के लिए परमाणु सिमुलेशन का उपयोग अंतर-परमाणु जोड़ी संभावित कार्यों के संयोजन में भी किया जा सकता है। कांच के निर्माण के सिद्धांत और कसौटी कांच के निर्माण का संरचनात्मक सिद्धांत, ज़चारीसेन कांच का अध्ययन करते समय, ज़चारीसेन ने चश्मे में दोहराने वाले गुणों को नोटिस करना शुरू कर दिया। उन्होंने नियमों और प्रतिरूपों का प्रतिपादन किया कि जब परमाणु इन नियमों का पालन करते हैं, तो उनके चश्मे बनाने की संभावना होती है। निम्नलिखित नियम ज़चारीसेन के सिद्धांत को बनाते हैं, जो केवल ऑक्साइड चश्मे पर लागू होते हैं। एक कांच में प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु को दो से अधिक कांच बनाने वाले धनायनों से नहीं जोड़ा जा सकता है कांच बनाने वाले धनायों की समन्वय संख्या 3 या 4 है ऑक्सीजन समन्वय पॉलीहेड्रा केवल कोनों को साझा करता है, किनारों या चेहरों को नहीं। प्रत्येक पॉलीहेड्रा के कम से कम 3 कोनों को साझा किया जाना चाहिए, जिससे एक निरंतर यादृच्छिक नेटवर्क बनता है। ये सभी नियम क्रिस्टल के बजाय कांच बनाने के लिए सही मात्रा में लचीलापन प्रदान करते हैं। जबकि ये नियम केवल ऑक्साइड चश्मे पर लागू होते हैं, वे कांच संरचना के लिए एक निरंतर यादृच्छिक नेटवर्क के विचार को स्थापित करने वाले पहले नियम थे। वह विभिन्न ऑक्साइडों के लिए संरचनात्मक भूमिकाओं को वर्गीकृत करने वाले पहले व्यक्ति भी थे, जिनमें से कुछ मुख्य कांच बनाने वाले (सी. ओ. ओ. 2, जी. ओ. 2, पी. 2. ओ. 5) और कुछ कांच परिवर्तक (एन. ए. 2. ओ., सी. ए. ओ.) थे। के. एच. का ऊर्जा मानदंड सूर्य इस मानदंड ने रासायनिक बंधन शक्ति और इसकी कांच बनाने की प्रवृत्ति के बीच एक संबंध स्थापित किया। जब किसी सामग्री को कांच बनाने के लिए बुझाया जाता है, तो बंधन उतने ही मजबूत होते हैं, कांच का निर्माण उतना ही आसान होता है। यदि बॉन्ड की ताकत 80 किलो कैलोरी प्रति बॉन्ड (उच्च बॉन्ड ताकत) से अधिक है, तो यह ग्लास नेटवर्क बनाने वाला होगा, जिसका अर्थ है कि यह एक ग्लास बनाने की संभावना है। यदि बॉन्ड की ताकत 60 किलो कैलोरी प्रति बॉन्ड (कम बॉन्ड ताकत) से कम है, तो यह ग्लास नेटवर्क को संशोधित करेगा, क्योंकि यह केवल कमजोर बॉन्ड बनाएगा, यह ग्लास बनाने वाले नेटवर्क को बाधित करेगा। यदि एक बंधन शक्ति 60 और 80 किलो कैलोरी प्रति बंधन (मध्यवर्ती बंधन शक्ति) के बीच है, तो यह एक मध्यवर्ती होगी। इसका मतलब है कि यह अपने आप एक कांच नहीं बनाएगा, लेकिन यह आंशिक रूप से अन्य नेटवर्क बनाने वाले परमाणुओं के साथ संयुक्त हो सकता है। डायट्ज़ेल के क्षेत्र शक्ति मानदंड डायट्ज़ेल ने परमाणुओं के बीच प्रत्यक्ष कूलम्बिक अंतःक्रियाओं को देखा। उन्होंने क्षेत्र शक्ति का उपयोग करके धनायों को वर्गीकृत किया जहां FS = zc/(rc + ra) 2, जहां zc धनाय का आवेश है, और rc और ra क्रमशः धनाय और आयन की त्रिज्या हैं। उच्च क्षेत्र शक्ति वाले धनायों में उच्च धनाय-ऑक्सीजन बंधन ऊर्जा होगी। यदि एफ. एस. 1.00 से अधिक था (उच्च आवेश के साथ छोटा कैटायन), तो यह एक ग्लास नेटवर्क होगा पूर्व यदि एफ. एस. 2.00 से कम था (छोटे आवेश के साथ बड़ा कैटायन), तो यह एक ग्लास नेटवर्क संशोधक होगा यदि एफ. एस. 4.00 और 3.00 के बीच था (मध्यम आवेश के साथ मध्यम आकार का कैटायन) तो यह एक मध्यवर्ती होगा ये तीन मानदंड यह निर्धारित करने के लिए 3 अलग-अलग तरीके स्थापित करने में मदद करते हैं कि कुछ ऑक्साइड अणु चश्मे का निर्माण करेंगे या नहीं, और इसकी समानता। चश्मे की संरचना का अध्ययन करने के लिए अक्सर उपयोग की जाने वाली अन्य प्रयोगात्मक तकनीकों में परमाणु चुंबकीय अनुनाद, एक्स-रे अवशोषण महीन संरचना और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी सहित अन्य स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियां शामिल हैं। परमाणु संरचना का अधिक पूर्ण और विस्तृत विवरण प्राप्त करने के लिए प्रायोगिक मापों को कंप्यूटर अनुकरण विधियों के साथ जोड़ा जा सकता है, जैसे कि रिवर्स मोंटे कार्लो या आणविक गतिकी अनुकरण। कांच की संरचना से संबंधित प्रारंभिक सिद्धांतों में क्रिस्टलीय सिद्धांत शामिल था जिसमें कांच क्रिस्टलीय (बेहद छोटे क्रिस्टल) का एक समुच्चय है। हालांकि, 1930 के दशक में वारेन और सहकर्मियों द्वारा एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके किए गए विट्रियस सी. आई. ओ. 2 और जी. ई. ओ. 2 के संरचनात्मक निर्धारण ने कांच की संरचना को एक अनाकार ठोस के रूप में विशिष्ट दिखाया 1932 में ज़केरियसेन ने कांच के यादृच्छिक नेटवर्क सिद्धांत की शुरुआत की जिसमें कांच में बंधन की प्रकृति क्रिस्टल के समान होती है, लेकिन जहां एक कांच में बुनियादी संरचनात्मक इकाइयाँ एक क्रिस्टलीय सामग्री में आवधिक व्यवस्था के विपरीत यादृच्छिक तरीके से जुड़ी होती हैं। लंबी दूरी के क्रम की कमी के बावजूद, स्थानीय परमाणु पॉलीहेड्रा में रासायनिक बंधन बाधाओं के कारण कांच की संरचना छोटी लंबाई के पैमाने पर उच्च स्तर के क्रम को प्रदर्शित करती है। उदाहरण के लिए, सिलिका ग्लास में मौलिक संरचनात्मक इकाइयों का निर्माण करने वाले सिओ 4 टेट्राहेड्रा उच्च स्तर के क्रम का प्रतिनिधित्व करते हैं, अर्थात। प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु 4 ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा समन्वित होता है और निकटतम पड़ोसी Si-O बंधन की लंबाई पूरी संरचना में केवल एक संकीर्ण वितरण प्रदर्शित करती है। सिलिका में टेट्राहेड्रा भी रिंग संरचनाओं का एक नेटवर्क बनाता है जो लगभग 10 एंग्स्ट्रॉम तक के अधिक मध्यवर्ती लंबाई के तराजू पर आदेश देता है। चश्मे की संरचना कांच संक्रमण तापमान टी. जी. के ठीक ऊपर तरल पदार्थों की संरचना से अलग होती है जो एक्स. आर. डी. विश्लेषण और तीसरे और पांचवें क्रम की गैर-रैखिक परावैद्युत संवेदनशीलताओं के उच्च-परिशुद्धता माप से पता चलता है। चश्मे आम तौर पर तरल पदार्थों की तुलना में उच्च स्तर की कनेक्टिविटी द्वारा चिह्नित किए जाते हैं। तरल पदार्थों और चश्मे की संरचना के वैकल्पिक दृश्यों में अंतरालीय मॉडल और तार जैसी सहसंबद्ध गति का मॉडल शामिल है। मॉलिक्यूलर डायनामिक्स कंप्यूटर सिमुलेशन इंगित करते हैं कि ये दोनों मॉडल निकटता से जुड़े हुए हैं ऑक्साइड ग्लास घटकों को नेटवर्क फॉर्मर, इंटरमीडिएट्स या नेटवर्क संशोधक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। पारंपरिक नेटवर्क बनाने वाले (जैसे. सिलिकॉन, बोरॉन, जर्मेनियम) रासायनिक बंधनों का एक अत्यधिक क्रॉस-लिंक्ड नेटवर्क बनाते हैं। मध्यवर्ती (जैसे। टाइटेनियम, एल्यूमीनियम, जिरकोनियम, बेरिलियम, मैग्नीशियम, जिंक) कांच की संरचना के आधार पर नेटवर्क पूर्व या नेटवर्क परिवर्तक दोनों के रूप में व्यवहार कर सकते हैं। परिवर्तक (कैल्शियम, सीसा, लिथियम, सोडियम, पोटेशियम) नेटवर्क संरचना को बदल देते हैं; वे आमतौर पर आयनों के रूप में मौजूद होते हैं, जो पास के गैर-संकरण ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा क्षतिपूर्ति किए जाते हैं, जो कांच के नेटवर्क से एक सहसंयोजक बंधन से बंधे होते हैं और पास के सकारात्मक आयन की भरपाई के लिए एक नकारात्मक चार्ज रखते हैं। कुछ तत्व कई भूमिकाएँ निभा सकते हैं; जैसे। सीसा एक नेटवर्क पूर्व (पी. बी. 4 + सी. 4 + की जगह ले सकता है), या एक परिवर्तक के रूप में कार्य कर सकता है। गैर-संकरण ऑक्सीजन की उपस्थिति सामग्री में मजबूत बंधनों की सापेक्ष संख्या को कम करती है और नेटवर्क को बाधित करती है, पिघलने की चिपचिपाहट को कम करती है और पिघलने के तापमान को कम करती है। क्षारीय धातु के आयन छोटे और गतिशील होते हैं; एक कांच में उनकी उपस्थिति कुछ हद तक विद्युत चालकता की अनुमति देती है। उनकी गतिशीलता कांच के रासायनिक प्रतिरोध को कम कर देती है, जिससे पानी से निक्षालन होता है और जंग की सुविधा होती है। क्षारीय पृथ्वी आयन, अपने दो सकारात्मक आवेशों और अपने आवेश की भरपाई के लिए दो गैर-संकरण ऑक्सीजन आयनों की आवश्यकता के साथ, स्वयं बहुत कम गतिशील होते हैं और अन्य आयनों, विशेष रूप से क्षार के प्रसार में बाधा डालते हैं। सबसे आम वाणिज्यिक कांच के प्रकारों में क्षारीय और क्षारीय पृथ्वी आयन (आमतौर पर सोडियम और कैल्शियम) दोनों होते हैं, जो आसान प्रसंस्करण और संतोषजनक जंग प्रतिरोध के लिए होते हैं। कांच के क्षरण प्रतिरोध को सल्फर या फ्लोरिन यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया द्वारा कांच की सतह से क्षार आयनों को हटाने, विलवणीकरण द्वारा बढ़ाया जा सकता है। क्षारीय धातु आयनों की उपस्थिति से कांच की हानि स्पर्शरेखा और इसके विद्युत प्रतिरोध पर भी हानिकारक प्रभाव पड़ता है; इलेक्ट्रॉनिक्स (सीलिंग, वैक्यूम ट्यूब, लैंप) के लिए निर्मित कांच को इसे ध्यान में रखना होगा। क्रिस्टलीय SiO2 सिलिका (रासायनिक यौगिक SiO2) में कई अलग-अलग क्रिस्टलीय रूप होते हैंः क्वार्ट्ज, ट्रिडिमाइट, क्रिस्टोबालाइट, और अन्य (उच्च दबाव बहुरूपी स्टिशोवाइट और कोसाइट सहित)। उनमें से लगभग सभी में विभिन्न व्यवस्थाओं में साझा शीर्षों द्वारा एक साथ जुड़ी टेट्राहेड्रल SiO4 इकाइयाँ शामिल हैं। विभिन्न क्रिस्टल रूपों के बीच Si-O बंधन की लंबाई भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, α-क्वार्ट्ज में बंधन की लंबाई 161 पी. एम. है, जबकि α-ट्राइडिमाइट में यह 154-171 पी. एम. से होती है। सी-ओ-सी बंधन कोण भी α-ट्राइडीमाइट में 140° से α-क्वार्ट्ज में 144° से β-ट्राइडीमाइट में 180° तक भिन्न होता है। अमोर्फोस सिलिका (फ्यूज्ड क्वार्ट्ज) में, SiO4 टेट्राहेड्रा एक नेटवर्क बनाता है जो किसी भी लंबी दूरी के क्रम को प्रदर्शित नहीं करता है। हालाँकि, टेट्राहेड्रा स्वयं उच्च स्तर के स्थानीय क्रम का प्रतिनिधित्व करते हैं, अर्थात। प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु 4 ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा समन्वित होता है और निकटतम पड़ोसी Si-O बंधन की लंबाई पूरी संरचना में केवल एक संकीर्ण वितरण प्रदर्शित करती है। यदि कोई सिलिका के परमाणु नेटवर्क को एक यांत्रिक ट्रस मानता है, तो यह संरचना आइसोस्टैटिक है, इस अर्थ में कि परमाणुओं के बीच कार्य करने वाली बाधाओं की संख्या बाद वाले की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या के बराबर है। कठोरता सिद्धांत के अनुसार, यह इस सामग्री को एक महान गठन क्षमता दिखाने की अनुमति देता है। विस्तारित लंबाई के तराजू पर क्रम की कमी के बावजूद, टेट्राहेड्रा भी रिंग जैसी संरचनाओं का एक नेटवर्क बनाता है जो मध्यवर्ती लंबाई के तराजू (लगभग 10 एंगस्ट्रॉम या उससे अधिक) पर क्रम बनाने की ओर ले जाता है। उच्च दबाव (लगभग 40 जी. पी. ए.) के अनुप्रयोग के तहत सिलिका ग्लास एक ऑक्टाहेड्रल रूप में एक निरंतर बहुरूपी चरण संक्रमण से गुजरता है, अर्थात। सी परमाणु परिवेशी दबाव टेट्राहेड्रल ग्लास में चार के बजाय 6 ऑक्सीजन परमाणुओं से घिरे होते हैं। ग्लास तरल बहुरूपता अनाकार ठोस रासायनिक संरचना एक्स-रे विवर्तन न्यूट्रॉन विवर्तन सतह परत संरचना कारक युग्म वितरण कार्य आगे पढ़ने के संदर्भ संघनित पदार्थ भौतिकी ग्लास भौतिकी तरल पदार्थ