جامدهای بی شکل: جامدات بدون ساختار اتمی منظم

جامدهای بی‌شکل: اسرار مواد بدون نظم

جامد چیست و بی‌شکلی چه معنایی دارد؟

همه‌ی ما با جامدات آشنا هستیم: سنگی که برمی‌داریم، مدادی که می‌نویسیم یا میزی که روی آن درس می‌خوانیم. این مواد شکل خود را حفظ می‌کنند و جریان ندارند. اما آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که اتم‌ها و مولکول‌های درون یک جامد چگونه کنار هم چیده شده‌اند؟ پاسخ این سؤال، ما را به دو دنیای کاملاً متفاوت می‌برد: جامدهای بلوری و جامدهای بی‌شکل.

یک جامد بلوری، مانند نمک طعام یا الماس، دارای یک نظم و چیدمان بسیار دقیق و تکرارشونده است. اتم‌های آن در یک الگوی منظم سه‌بعدی، مانند سربازانی در صف، قرار گرفته‌اند. اما یک جامد بی‌شکل، مانند شیشه یا آبنبات چوبی، چنین نظمی ندارد. اتم‌ها و مولکول‌های آن به صورت تصادفی و درهم‌وبرهم کنار هم قرار گرفته‌اند، درست مانند آرایش ذرات در یک مایع! به همین دلیل، گاهی به آن‌ها "مایعات فوق‌سرد شده"^۳ نیز می‌گویند؛ یعنی مایعی که آنقدر سریع سرد شده که اتم‌هایش فرصت پیدا نکرده‌اند تا در یک ساختار منظم قرار بگیرند و برای همیشه در همان حالت بی‌نظم "یخ زده"‌اند.

تفاوت‌های کلیدی جامدهای بلوری و بی‌شکل

برای درک بهتر، بهتر است این دو نوع جامد را در یک جدول مقایسه کنیم. این جدول به شما کمک می‌کند ویژگی‌های اصلی هر کدام را به خاطر بسپارید.

چگونه یک جامد بی‌شکل ساخته می‌شود؟

کلید ساخت یک جامد بی‌شکل، جلوگیری از تشکیل بلور است. این کار معمولاً با سرد کردن بسیار سریع یک ماده‌ی مذاب انجام می‌شود. وقتی ماده به‌آرامی سرد شود، اتم‌ها زمان کافی برای حرکت و تشکیل یک ساختار بلوری منظم را پیدا می‌کنند. اما اگر سرد کردن آنقدر سریع اتفاق بیفتد که اتم‌ها "در جا" قفل شوند، ساختار بی‌نظم مایع در حالت جامد حفظ می‌شود.

یک مثال ساده، ساخت آبنبات چوبی است. اگر شربت قند را به‌آرامی بجوشانید و بگذارید سرد شود، بلورهای شکر تشکیل می‌شوند (مثل نبات). اما اگر همان شربت داغ را به سرعت در آب سرد بریزید و هم بزنید، یک آبنبات چوبی بی‌شکل و شفاف خواهید داشت! در صنعت شیشه نیز همین اتفاق می‌افتد: ماسه ($SiO_2$)$SiO_2$ و سایر مواد را ذوب کرده و سپس به سرعت خنک می‌کنند تا از بلور شدن آن جلوگیری کنند.

جامدهای بی‌شکل در زندگی روزمره ما

این مواد به طور شگفت‌انگیزی در اطراف ما حضور دارند. بیایید به چند نمونه نگاه کنیم:

شیشه‌ها: پنجره‌ها، لیوان‌ها، صفحه‌ی نمایش تلفن همراه شما. شیشه یکی از شناخته‌شده‌ترین جامدهای بی‌شکل است که از سیلیکا ساخته می‌شود.

پلی‌مرها و پلاستیک‌ها: بطری آب، اسباب‌بازی، کیف، کیسه‌ی نایلونی. زنجیره‌های بلند مولکولی در پلاستیک‌ها به‌ندرت می‌توانند یک ساختار کاملاً بلوری تشکیل دهند و بیشتر بخش‌های آن‌ها بی‌شکل است.

لاله‌های نرم (ژل‌ها): ژله دسرها، ژل مو، لنزهای نرم چشمی. این مواد شبکه‌ای از مولکول‌ها هستند که مایع را در خود به دام انداخته‌اند و ساختاری شبه‌جامد و بی‌نظم ایجاد کرده‌اند.

بعضی از خوراکی‌ها: آبنبات چوبی، کارامل، مارشمالو. این خوراکی‌ها با سرد کردن سریع شربت قند درست می‌شوند تا از تشکیل بلورهای شکر جلوگیری شود و بافتی نرم و یکنواخت داشته باشند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱جامد بی‌شکل (Amorphous Solid): به جامدی گفته می‌شود که فاقد ساختار بلوری درازمدت و منظم باشد.

^۲جامد بلوری (Crystalline Solid): به جامدی گفته می‌شود که اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های آن در یک الگوی منظم و تکرارشونده سه‌بعدی چیده شده‌باشند.

^۳مایعات فوق‌سرد شده (Supercooled Liquids): به مایعاتی گفته می‌شود که دمای آن‌ها از نقطه انجماد معمولی پایین‌تر رفته اما هنوز منجمد نشده‌اند و در حالت مایع باقی مانده‌اند. این اصطلاح برای توصیف رفتار برخی جامدهای بی‌شکل در مقیاس زمانی بسیار طولانی نیز به کار می‌رود.