液态复合物、液晶态和玻璃态

Liquid Complexes, Liquid Crystals and Glassy States

2020年4月17日Ankur Choudhary (noreply@blogger.com)AI 专业翻译

液态复合物

这些复杂的流体和软物质被描述为既具有液体的特性,也具有固体的特性。
或者
有四种类型的二元流体:固体和液体(大分子的溶液和悬浮液)、固体和气体(颗粒)、液体和气体(泡沫),以及液体和液体(乳液)。

聚合物材料制成的凝胶、泡沫、颗粒状材料、玻璃态物质、熔体以及溶液都是常见的例子。这些系统通常具有明显的无序性和异质性特征,并且在时间和空间尺度上存在显著的波动。对于玻璃态物质或凝胶这类复杂流体,理论分析也相当困难,因为它们无法达到平衡状态。复杂系统的特征通常可以用一个较为通用的模型来描述:它们的行为受到自组织(有序化)和自无序化(无序化)过程的影响,这两种过程共同作用形成了一个分层的、具有适应性的结构。

复杂性的概念也可以应用于那些表现出缓慢且非指数级松弛行为的材料,尤其是那些由非晶态材料形成的液体和玻璃态物质。并不是所有的液体在冷却过程中都会变得复杂。三维液体(如熔融金属、盐类和液化惰性气体)之间的简单两粒子相互作用,以及计算机模拟中的Lennard-Jones(LJ)模型或软核模型所描述的液体,在冷却时都会迅速结晶。

凝胶和玻璃态:当聚合物熔体或浓溶液中的一群分子首次通过交联连接在一起时,就形成了这种状态。在流体或溶液相中,如果分子的交联程度较低,分子会自由移动到所有可到达的位置;然而,在凝胶或非晶态固体相中,分子会随机定位,并且其热运动受到限制。

液晶

在晶体光学专家奥托·莱曼(Otto Lehmann)研究之后,这种浑浊的液体可能形成了一种被称为“液晶”的新物质状态。阴极射线管(CRT)是由德国科学家卡尔·布劳恩(Karl Braun)发明的。1890年,加特曼(Gatterman)和尼奇克(Nitschke)首次合成了p-偶氮苯甲酰苯(p-azoxyanisole),这是第一种人工合成的液晶。在此之前,所有被研究的液晶物质都是天然存在的,例如异辛烷(isooctane)、硫氰酸铵(ammonium thiocyanate)和癸酸钠(sodium decanoate)。

这些物质能够同时存在于两种截然不同的物质状态中。各向同性的液体和结晶固体是最常见的物质状态。液晶则是一种介于两种固体之间的中间相。分子也是构成这些物质的基本单位。在各个向同性的液体中,分子分布是随机的,它们的位置和方向都没有固定的规律。而在晶体中,分子或原子的排列在长距离范围内都是有序的,无论是从方向上还是从三维空间位置上来看都是如此。

晶体液体:它是固体还是液体?

这种被称为“潜热”的能量,是使晶体发生相变所必需的热量。两种相之间的热量差可以通过这种热量来测量。胆甾醇肉豆蔻酸酯的潜热为每克固态到液态晶体65卡路里。而液态晶体和液态的潜热均为每克7卡路里。如果液态晶体和液态在潜热方面更相似,那么液态晶体就更接近液态了。

液晶相

中间相(Mesophases)是指介于固态和液态之间的物质状态。改变样品的制备顺序可能会导致这些中间相的形成。晶体液体(Crystal Liquid)是一种同时具有晶体和液体特性的物质。当某些溶剂或固体与特定分子混合时,可能会产生液晶态(Liquid Crystalline State)。如果这种化合物被加热,它也可能转变为液晶态。

液晶相的特性分析

这种晶体结构具有以下特征:
  1. 结构-性质关系描述了分子或分子群在晶体材料中表现出平移对称性的倾向。
  2. 取向序(Orientation Order)衡量了分子沿着任何给定导向剂(director)的长程轴排列的倾向。
  3. 键取向顺序(Bond Orientational Order):指的是连接相邻分子中心的直线,这条直线上没有规律的间距。
“位置顺序(Positional Order)”与“取向顺序(Orientational Order)”的结合形成了一个晶体相。

不同的位置顺序 + 方向顺序 = 液相色谱(LC phase)

玻璃态(Glassy states)

玻璃的物质状态既不属于平衡态也不属于晶体态。虽然它在短时间内看起来是固态的,但实际上会持续向液态转变。玻璃被归类为一种非导电的透明固体,属于固体的一种特殊类型。它既不能被归类为液体,也不能被归类为固体。在固体中,原子和分子通常是规则排列的;而在玻璃态材料中,它们的排列则是高度无序的。虽然聚合物材料具有长程有序性,但玻璃态材料只具有短程有序性。玻璃态物质没有明确的熔点,不过加热时它会缓慢液化。可以说,玻璃态材料是由随机排列的多面体分子在它们的角点处结合在一起形成的。

某些材料可以很容易地达到玻璃态,而其他材料则需要很大的努力才能实现;还有一些材料根本无法达到玻璃态。尽管这种行为背后的确切机制尚未确定,但研究表明,能够转化为玻璃态的基底物质在熔点时具有很高的粘度,这使得形成有序结构变得不可能。金属氧化物通常是能够转化为玻璃态的最常见材料,但即使是像钢铁这样的材料,如果冷却速度足够快,也能实现玻璃化。通过这种技术,材料在结晶之前就固化了,从而形成了玻璃。

在差示扫描量热法(DSC)曲线中,测量了熔体的玻璃化转变温度(Tg),并观察到了玻璃态药物特有的吸热峰(最大热容量)。研究发现,20种药物(如阿司匹林、苯巴比妥、安替比林等)会形成玻璃态。这些药物的Tg与熔化温度(Tm)的比值介于0.59到0.84之间。


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