Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния – раздел физики, посвященный изучению структуры и свойств веществ, находящихся в конденсированном состоянии (твердых и жидких, кристаллических и аморфных, неживой материи и биологических объектов).

Все процессы образования Вселенной, Земли и возникновения жизни связаны с переходом материи в конденсированное состояние. Поэтому наиболее распространенной формой существования материи на Земле является конденсированное состояние вещества.

Поскольку свойства веществ в конденсированном состоянии формируются свойствами ядер, структурой электронных оболочек атомов и силами взаимодействия между ними, то физика конденсированного состояния является завершающим звеном в цепочке: ядерная физика ® атомная физика ® физика конденсированного состояния.

К веществам, находящимся в конденсированном состоянии, относятся твердые тела, жидкости, жидкие кристаллы, полимеры, биологические структуры и живая материя.

Практически все области человеческой деятельности (физика твердого тела, атомная и ядерная физика, биофизика, геофизика, химия твердого тела и биохимия, геология, металлургия, медицина и многие другие) или непосредственно связаны с исследованием веществ в конденсированном состоянии, или в них используются методы и концепции, развитые в физике конденсированного состояния.

Таким образом, физика конденсированного состояния вещества может рассматриваться как мировоззренческая наука, наука о строении неживой и живой материи. Она формирует обобщенное представление об окружающем Мире – едином, многообразном и взаимосвязанном.

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Упорядоченное кристаллическое состояние вещества

3. Непериодические структуры

3.1. Классификация. Общие свойства

3.2. Аморфное состояние

3.3. Жидкое состояние

4. Вещества, сочетающие порядок и беспорядок

5. Биополимеры и живая материя

 

1. Введение

Определим конденсированное состояние вещества как такое состояние ансамблей частиц, в котором объем вещества при заданных внешних условиях (давлении, температуре и других параметрах) определяется исключительно силами взаимодействия между частицами.

Несмотря на огромное многообразие объектов, определяющихся таким образом, все они могут рассматриваться с единой точки зрения, так как состоят из одних и тех же частиц, между которыми действуют одни и те же силы взаимодействия.

В основе строения материи лежат так называемые фундаментальные частицы. Это простейшие безразмерные (<10^–16 см), точечные, бесструктурные объекты.

Земное вещество состоит из фундаментальных частиц первого поколения, к которым относятся кварки (u-кварки с зарядом +2/3е и d-кварки с зарядом –1/3е) и лептоны (e – электрон и ν_e – нейтрино). Все частицы имеют свои античастицы, которые обладают такой же массой, спином, временем жизни, но отличаются знаком заряда (или знаком другого параметра). Античастицы обозначаются чертой сверху.

Взаимодействие между частицами осуществляется путем обмена виртуальными (короткоживущими) частицами обмена (глюонами, пионами, фотонами и др.). Каждому типу взаимодействия соответствуют свои частицы обмена: сильному ядерному взаимодействию – глюоны и пионы, электрослабому – фотоны.

Глюоны осуществляют сильное (цветовое) взаимодействие между кварками. Характерной особенностью этого взаимодействия является возрастание силы притяжения при увеличении расстояния между взаимодействующими частицами. На расстояниях более 10^–13см сила притяжения достигает колоссальной величины – около двух тонн.

Два кварка (u и d), связываясь глюонами, образуют протон, а один u-кварк и два d-кварка – нейтрон. Нейтроны и протоны в ядрах связываются пионами. Ядра и электроны, в результате электрослабого взаимодействия (обмена фотонами), образуют атомы. Атомы, конденсируясь, образуют молекулы или вещества, в которых связь осуществляется также путем электрослабого взаимодействия. Таким образом, при образовании материи существует иерархия: (кварки + глюоны) ® (протоны, нейтроны + пионы) ® (ядра + электроны + фотоны) ® атомы ® земная материя.

            Однако, при построении вещества нет необходимости рассматривать всю цепочку. Материя строится из структурных единиц. Структурная единица вещества – это частица или комплекс элементарных частиц, энергия образования которых (то есть энергия связи) существенно превышает энергию взаимодействия между ними и кинетическую энергию их движения. Индивидуальность структурных единиц («кирпичиков» вещества) сохраняется при любых внешних воздействиях, пока вещество остается в конденсированном состоянии.

            Поскольку элементарные частицы имеют корпускулярно-волновую природу, то образованное ими вещество также представляет собой синтез непрерывного и дискретного. На вопрос: «Почему это так?» ответа нет. Так устроен мир.

В квантовой электродинамике вводится понятие квантового поля, как пространственно-непрерывной среды. Абсолютно самым низшим состоянием всех квантовых полей является вакуум, в котором могут появляться только виртуальные частицы. Более высокие энергетические состояния поля, называемые возбужденными состояниями, связаны с появлением дискретных порций (квантов) энергии и импульса – долгоживущих элементарных возбуждений. Эти возбуждения и определяются как элементарные частицы.

По сложности структуры и теоретического описания все вещества в конденсированном состоянии можно разделить на три основных группы, указанные в таблице 1: периодические системы, в том числе кристаллы; непериодические системы – как не упорядоченные, так и частично упорядоченные (смешанные структуры, характеризующиеся одновременно упорядоченностью и неупорядоченностью); биополимеры, биологические объекты и живая материя.

Таблица 1

Физика конденсированного состояния вещества
ß	ß		ß
Физика периодических систем (кристаллов)	Физика непериодических систем		Физика биополимеров и живой материи
ß                         ß
Системы, сочетающие порядок и беспорядок: — сильно легированные полупроводники, — жидкие кристаллы, — суперионные соединения, — системы со сверхрешетками, — неупорядоченные магнитные материалы, — металлические и полупроводниковые многокомпонентные сплавы.		Неупорядоченные  структуры: — диэлектрические стекла, — аморфные металлы, — аморфные полупроводники, — металлические стекла, — спиновые стекла, — жидкости, — сверхкритические флюиды.

 

2. Упорядоченное кристаллическое состояние вещества

Простейшей формой состояния вещества является упорядоченное кристаллическое состояние. Кристаллическое состояние является термодинамически равновесным, так как любое нарушение периодичности при температуре, равной нулю, приводит к увеличению энергии. В кристаллическом состоянии, как полностью упорядоченном состоянии, осуществляются два типа порядка: ближний порядок – упорядоченность расположения атомов в ближайшем окружении каждого отдельного атома и дальний порядок – воспроизведение ближнего порядка во всем объеме вещества.

В настоящее время известно ~ 15 000 неорганических и ~ 80 000 органических кристаллических структур, как существующих в Природе, так и созданных искусственно: от простых веществ до белков, нуклеиновых кислот и вирусов.

Полное представление о кристаллической структуре включает в себя статическое и динамическое описание.

В статическом описании кристаллические структуры классифицируют по химическому составу, типу химической связи, взаимной координации атомов (слоистые, цепные, каркасные, координационные), распределению электронной плотности в межъядерном пространстве. При этом описании рассматривается статическое пространственное расположение атомных ядер (усредненное по времени). Взаимная координация характеризуется симметрией, параметрами межатомных расстояний, валентных углов, координатами ядер.

При динамическом описании указываются среднеквадратичные смещения от положения равновесия (амплитуды колебаний) и частоты колебаний атомов в различных направлениях. В динамической модели атомы изображаются в виде "тепловых эллипсоидов".

Основным термодинамическим состоянием систем является состояние при абсолютном нуле температуры Т = 0 К. Однако это состояние не является состоянием абсолютного покоя. При абсолютном нуле температуры Т = 0 К существует движение атомов в узлах кристаллической решетки, так называемые нулевые колебания атомов, не несущие тепловой энергии. Практически у всех твердых тел амплитуда нулевых колебаний много меньше межатомных расстояний, хотя по порядку величины она сравнима с амплитудой тепловых колебаний атомов при комнатной температуре.

В Природе существует только одно вещество – жидкий гелий, у которого амплитуда нулевых колебаний сравнима с межатомными расстояниями. В результате жидкий гелий остается в жидком состоянии вплоть до абсолютного нуля температур, то есть является чисто квантовой жидкостью.

Квантовая природа вещества проявляется в том, что на низких уровнях возбуждения в пространственно-однородной системе движение возникает в виде отдельных дискретных порций (квантов), так называемых элементарных возбуждений (структурных единиц движения) – квазичастиц, обладающих определенной энергией и импульсом.

Например, в металлах возбуждения электронной системы (Ферми-жидкости) описываются почти идеальным газом квазичастиц, получивших название «фермиевских электронов». А колебательным возбуждениям кристаллической решетки соответствует газ носителей тепловой энергии (квазичастиц) – «фононов».

Таким образом, такой подход позволяет описывать возбужденные состояния ансамблей сильно взаимодействующих частиц с помощью модели газа слабо взаимодействующих квазичастиц, обладающих хорошо определяемыми энергиями и квазиимпульсами (приставка «квази» подчеркивает отличие их импульса от импульса реально существующих частиц).

Схема, поясняющая взаимосвязь (в рамках теории квантового поля) элементарных частиц, составляющих вещество в конденсированном состоянии, и квазичастиц, иллюстрируется рис.1.

 

 

 

Рис. 1. Схема взаимосвязи элементарных частиц и квазичастиц в веществе

 

Введение квазичастиц позволяет использовать при построении энергетического спектра электронов в проводящих средах и спектра тепловых возбуждений – фононов одночастичное приближение, т.е. рассматривать движение одной квазичастицы в периодическом поле кристаллической решетки. Задача решается точно для систем, обладающих трансляционной инвариантностью. Свойство трансляционной инвариантности означает, что система совпадает сама собой при смещении на период кристаллической структуры.

На основе трансляционной инвариантности строится энергетический спектр квазичастиц, описывающих такие структуры. Спектр оказывается многозонным, то есть состоящим из чередующихся областей (полос, зон) разрешенных и запрещенных значений энергии, а энергия квазичастицы становится, с одной стороны, многозначной, а с другой стороны – периодической функцией квазиимпульса.

Практически для всех металлов на основе одноэлектронного приближения построены изоэнергетические поверхности, описывающие свойства фермиевских электронов (поверхности Ферми) и поверхности постоянной частоты для квантов тепловых колебаний – фононов. Это позволило впервые описать всю совокупность электрических, магнитных, гальвано-магнитных и тепловых свойств металлов.

Интегральной характеристикой спектра является функция плотности состояний, определяющая число состояний, приходящихся на единичный интервал энергии. При этом все энергетические состояния являются стационарными и описываются достаточно точно.

При формировании упорядоченных систем большой интерес представляют кластеры. Кластеры занимают промежуточную область между отдельными атомами и кристаллами. С этой точки зрения они представляют большой не только научный, но и практический интерес. Свойства атомов определяются структурами ядра и электронной оболочки. Свойства кристалла формируются еще силами взаимодействия между атомами. Из одних и тех же атомов могут образовываться вещества, обладающие разными свойствами. Поэтому атом, например, железа – это не железо, атом углерода – это не графит и не алмаз и т.п. Если рассматривать процесс образования вещества при увеличении числа атомов, то возникает вопрос: при каком минимальном числе атомов формируются свойства массивного вещества? Ясно, что в промежуточной области группа атомов, а это и есть кластер, должна обладать необычными свойствами, отличающимися от свойств атома и массивного вещества.

Свойства массивного вещества формируются, в основном, его объемом, в то время как поверхность – чрезвычайно интересный объект исследований, обладающий специфическими свойствами, – практически не влияет на свойства массивного вещества. При уменьшении объема относительная роль поверхности возрастает и для очень малых частиц становится определяющей. Так, например, в кластерах со средними диаметрами (0,55÷0,8) нм; (0,8÷2,0) нм; (2÷10) нм количество поверхностных атомов составляет, соответственно, 100%; (92÷63)%; (63÷15) %. Известно, что ряд химических веществ, в том числе некоторые лекарственные препараты, в кластерном виде обладают необычно высокой химической и биологической активностью по сравнению с их объемными аналогами.

Процесс возникновения и роста кластеров, а также фрактальных структур, нанокомпозитов и супрамолекуляных соединений обладает рядом принципиально важных особенностей. Во время образования, они представляют собой сложные физико-химические структуры, открытые для обмена энергией и веществом с окружающей средой, и находящиеся в сильно неравновесных условиях. Поэтому процессы формирования данных структур рассматриваются как процессы самоорганизации, в результате которых образуются устойчивые твердофазные структуры.

Главные достижения в развитии теоретических и экспериментальных методов исследования периодических структур относятся к 40–60 годам прошлого столетия. К концу прошлого века в результате колоссальных успехов в развитии вычислительной техники у многих сложилось мнение, что практически все задачи в области конденсированного состояния вещества могут быть решены, и никаких принципиально новых явлений и открытий в этой области в ближайшее время не предполагалось. Однако в действительности оказалось, что это не так, и что возможности теоретического анализа ансамблей сильно взаимодействующих частиц, к сожалению, очень ограничены. Это, прежде всего, относится к многокомпонентным гетерогенным соединениям, которые при вариации внешних условий и состава обладают одновременно металлическими, диэлектрическими, сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.

Наиболее ярким примером явилось открытие высокотемпературной (до 130°К) сверхпроводимости (ВТСП) – одного из самых интересных и загадочных явлений в Природе. Открытие ВТСП далеко не исчерпывает список новых явлений и состояний вещества, которые были обнаружены в последнее время. Здесь можно упомянуть открытие стационарно существующих экситонных фаз, являющихся диэлектрическим аналогом сверхпроводников. Если в сверхпроводниках спариваются электроны, образуя виртуальные бозе-частицы с зарядом –2e и нулевым спином, то в экситонных фазах спариваются электроны и дырки, что приводит к образованию бозе-квазичастиц с нулевыми значениями и заряда, и спина. Такие вещества могут обладать третьим (после сверхпроводимости и сверхтекучести) уникальным свойством – сверхтеплопроводностью.

Можно упомянуть также открытие нового класса многокомпонентных полупроводниковых материалов, обладающих огромными и регулируемыми временами жизни возбужденных носителей заряда (электронов и дырок). Новый тип полупроводников обладает необычайно высокой фоточувствительностью в области далекого ИК-диапазона электромагнитного излучения и эффектом фотопамяти, что позволяет создавать на их основе высокочувствительные матричные фотоприемники, запоминающие ИК-изображение как целое, наподобие фотопластинок, используемых в фотографии.

На стыке физики полупроводников и магнетизма получили широкое развитие исследования, так называемых, полумагнитных полупроводников, представляющих собой твердые растворы А_1–хМ_хВ сплавов обычных полупроводников АВ и магнитных полупроводников МВ, в которых атомы А замещены атомами редкоземельных или переходных металлов М с незаполненными 3d- или 4f-оболочками. Взаимодействие результирующего магнитного поля с электронами и дырками в полупроводниковой матрице приводит к возникновению ряда необычных эффектов: гигантскому зеемановскому расщеплению экситонной полосы, гигантскому стоксовскому сдвигу в комбинационном рассеянии света, необычайно сильному фарадеевскому вращению плоскости поляризации и другим.

На стыке электронной теории металлов, физики магнетизма и физики сверхпроводимости был открыт новый класс веществ, получивших название кондо-систем и кондо-решеток.

В кондо-системах свойства вещества формируются не только электрическим взаимодействием коллективизированных электронов с ионами решетки, но и их взаимодействием с магнитными ионами, замещающими часть ионов в исходной кристаллической решетке металла.

Характерной особенностью таких систем является необычайно сильное возрастание плотности электронных состояний  на уровне Ферми при понижении температуры. В плотности состояний  образуется узкий, шириной порядка 1 мэВ (»10 К), пик гигантской амплитуды, в сотни раз превышающей значения плотности состояний в обычных металлах, а эффективная масса электронов становится сравнимой с массой протона. Такие электроны получили название «тяжелых фермионов». Интересно, что при низких температурах система тяжелых фермионов переходит в сверхпроводящее состояние.

По совокупности низкотемпературных свойств системы с тяжелыми фермионами не имеют аналогов среди всех известных типов твердых тел и представляют собой особый класс металлических систем.

Следует отметить также открытие нового класса магнитных материалов, обладающих огромной коэрцетивной силой при комнатных температурах, что позволяет использовать их для создания постоянных магнитов с большими значениями напряженностей магнитных полей.

В настоящее время многие кристаллические структуры создаются искусственно, причем не только выращиваются из расплавов, но и конструируются. Построенные по «чертежам» кристаллы обладают заранее заданными свойствами. К таким кристаллам относятся фотонные кристаллы. Фотонный кристалл – это материал со структурой, характеризующейся периодическим изменением коэффициента преломления. Фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла и имеют целый ряд приложений.

Интересно, что вещества в кристаллическом состоянии могут иметь плотность разреженного газа. Очевидно, что для этого его атомы должны иметь огромные размеры. Чтобы увеличить размеры атома, его надо перевести в возбужденное состояние, в котором электроны находились бы на орбитах, соответствующих большим значениям главного квантового числа n.

Атомы, находящиеся на высоких уровнях возбуждения до n ~ (100 ¸ 1000) получили название ридберговских (Rydberg) атомов. Простейшей моделью ридберговского атома является атом водорода. Ограничимся рассмотрением s-состояния.

В модели Бора радиусы электронных орбит r_n = a_B×n². Размер ридберговского атома при n = 1000 составляет ~ 5×10 ^–2 мм (!), то есть атом становится макроскопическим, видимым невооруженным глазом.

Состоящее из возбужденных атомов ридберговское вещество обладает рядом необычных свойств: плотность его соответствует разреженным газам, оно прозрачно в оптическом диапазоне, обладает большой пластичностью и имеет достаточно высокий коэффициент поверхностного натяжения, что обеспечивает резкую границу раздела с газовыми средами.

 

3. Непериодические структуры 

 

3.1. Классификация. Общие свойства

Значительно более сложными объектами исследования являются непериодические структуры, так как они не обладают трансляционной инвариантностью.

Неупорядоченные системы можно разделить на три большие группы: I. системы, сочетающие порядок и беспорядок, II. "идеальные" неупорядоченные системы (однородные в среднем) и III. фрактальные структуры.

К первой группе относятся:

— сильно легированные кристаллические полупроводники;

— твердые растворы замещения и внедрения;

— суперионные соединения;

— жидкие кристаллы.

В трех первых системах в определенной степени сохраняется трансляционная упорядоченность (дальний порядок) в системе атомов, образующих жесткий каркас, но не сохраняется композиционный порядок. В жидких кристаллах трансляционная упорядоченность сохраняется вдоль одного выделенного направления, тогда как в других направлениях такие вещества характеризуются неупорядоченностью, свойственной для жидкостей, которые относятся ко второй группе.

К неупорядоченным структурам второй группы (аморфное состояние) относятся вещества, находящиеся как в жидком состоянии (однофазные жидкости и однофазные расплавы), так и в твердом состоянии (аморфные металлы и однофазные металлические сплавы, полученные быстрым охлаждением расплавов, аморфные однофазные полупроводники, стекла (переохлажденные расплавы)). В этих системах отсутствуют трансляционная симметрия и дальний порядок в расположении структурных элементов, но в значительной степени сохраняется ближний порядок.

Наиболее общей и характерной чертой неупорядоченных структур I и II групп является наличие в них случайного силового поля, имеющего статистический характер. Случайность силового поля – определяющее, необходимое и достаточное свойство неупорядоченных систем.

Потенциальная энергия U(r) носителя заряда в случайном силовом поле также является случайной величиной. Причиной возникновения случайного силового поля может быть как отсутствие трансляционной симметрии (непериодическое, хаотическое расположение атомов), так и случайные вариации глубины потенциальных ям в строго периодических структурах. Обе причины могут реализовываться одновременно. Следует также иметь в виду, что у аморфных веществ и у жидкостей, при отличных от нуля температурах, в результате структурных перестроек в твердой фазе и трансляционного движения частиц в жидкой фазе, силовое поле непрерывно изменяется со временем.

Случайный характер расположения структурных элементов в ансамбле и случайный характер потенциальной энергии носителей заряда означают, что расчет энергетического спектра должен основываться на определенных моделях. Для описания случайного слагаемого в выражении для потенциальной энергии U(r) надо задать, во-первых, определенный вид функции вероятности реализации Γ₁ того или иного отклонения потенциальной энергии от ее среднего (по времени и по координатам r) значения в точке r в момент времени t. Во-вторых, надо задать вероятность реализации Γ₂ отклонения межатомного расстояния от его среднего значения, равного радиусу первой координационной сферы.

Функции Γ₁ и Γ₂ являются новыми характеристиками неупорядоченных веществ по сравнению с идеальными кристаллами. Вид функций Γ₁ и Γ₂ задается на основе определенных предположений о характере координатных и временных флуктуаций величины потенциальной энергии U(r,t). Статистический характер потенциального поля определяет ряд общих закономерностей, присущих всем неупорядоченным системам.

Случайный характер силового поля, отсутствие дальнего порядка, то есть корреляций между значениями случайного потенциала в удаленных (в пределе – бесконечно удаленных) друг от друга точках, приводят к общему для однофазных неупорядоченных систем свойству – пространственной однородности в среднем. Это означает, что в условиях термодинамического равновесия любая физическая удельная аддитивная (экстенсивная, пропорциональная массе или объему) величина, принимая случайные значения в микрообъемах, при усреднении по любому малому, но макроскопическому объему имеет определенное значение, не зависящее от объема усреднения, и постоянное для любой точки вещества (условие самоусреднения).

К фрактальным структурам относятся многофазные неупорядоченные системы, основной особенностью которых является их структурная неоднородность. Они, в простейшем случае, состоят из однородной неупорядоченной матрицы, в которой образуются сложные кластерные структуры другой фазы, в частности, сильно разветвленные образования, получившие название дендритов.

            По типу структуры все неупорядоченные системы можно разделить на два основных класса. К первому классу относятся структурно квазиоднородные системы, ко второму – гетерогенные и многофазные системы. Структуры веществ, относящихся к первому классу, характеризуются ближним и, в той или иной степени, дальним порядком. Структура веществ второго класса описывается теорией фракталов.

Характерной особенностью непериодических систем является невозможность экспериментального воспроизведения одной и той же структуры при одних и тех же условиях синтеза. Поскольку энергетические барьеры между различными конфигурациями атомов в ряде случаев, например у металлических сплавов, оказываются достаточно низкими, то при отличных от нуля температурах происходит непрерывная спонтанная перестройка структуры, что свидетельствует о движении системы к равновесному состоянию. Однако времена релаксации (установления равновесия и перехода в упорядоченное кристаллическое состояние) могут составлять, многие годы (например, в неорганических стеклах, аморфных полупроводниках). Кремний и некоторые другие полупроводниковые материалы в аморфном состоянии широко используются в солнечных батареях, преобразующих энергию света в электрический ток. Такие батареи успешно работают на всех космических аппаратах.

Пространственная однородность в среднем и наличие ближнего порядка позволяют использовать при описании структуры спектра элементарных возбуждений в неупорядоченных системах понятия электронного и фононного энергетических спектров, введенных для упорядоченных систем: энергетические зоны, функция спектральной плотности состояний. Однако, кроме делокализованных состояний носителей заряда (аналогов электронов в металлах), в неупорядоченных системах важную роль играют локализованные состояния, доля которых растет при увеличении степени беспорядка. Наличие локализованных состояний является характерной особенностью спектра элементарных возбуждений в неупорядоченных системах и оказывает существенное влияние на картину кинетических явлений.

Неупорядоченные системы можно рассматривать как вещества, в которых атомная структура метастабильна, а элементарные возбуждения находятся в состоянии термодинамического равновесия.

Очевидно, что указанные особенности качественно отличают неупорядоченные системы от периодических и требуют дальнейшего развития теории, создания новых теоретических моделей. Эффективные методы исследования таких систем были развиты только в 70–80 годах ХХ века.

 

3.2. Аморфное состояние

К неупорядоченным веществам относится, прежде всего, класс аморфных структур. Для аморфных структур характерно существование ближнего и отсутствие дальнего порядка в расположении структурных единиц. Аморфное состояние реализуется как в системах с изотропным характером межатомных связей (например, в хороших металлах), так и в системах с направленными химическими связями между атомами. В первом случае структура аморфного состояния близка к структуре идеальной жидкости. Во втором случае расположение соседних атомов вокруг данного атома (или, как принято говорить, расположение атомов в первой координационной сфере) определяется направленностью химических связей. Вместе с тем, по мере удаления от любого выбранного атома углы между связями постепенно хаотически изменяются, что приводит к исчезновению дальнего порядка.

Аморфные металлы получаются путем чрезвычайно быстрого (со скоростью ~ 10⁷ град/с) охлаждения расплава. Данный способ позволяет получать сплавы с таким содержанием компонентов, которое не является термодинамически устойчивым в обычных условиях. Аморфные металлические ленты обладают рядом новых свойств, отличных от свойств металлов в кристаллическом состоянии. В частности, железо и ряд других металлов в аморфном состоянии не коррозируют (лат. corrosio – разъедание), что позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов в химических реакторах различного типа, как альтернативу дорогостоящим благородным металлам.

 

3.3. Жидкое состояние

            Жидкое состояние – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. По химическому составу жидкости подразделяются на однокомпонентные (чистые жидкости) и многокомпонентные жидкие смеси (растворы). По физической природе жидкости делятся на нормальные и квантовые (Не4, Не3 и их растворы), которые остаются в жидком состоянии (при атмосферном давлении) вплоть до абсолютного нуля температуры.

По характеру сил взаимодействия нормальные жидкости можно разделить на 6 классов: атомарные жидкости и некоторые молекулярные жидкости, между частицами которых действуют центрально симметричные силы; неполярные жидкости, образованные молекулами, не обладающими дипольными моментами; полярные жидкости с диполь - дипольным, диполь - квадрупольным и другими не центральносимметричными электростатическими взаимодействиями; ассоциированные жидкости (вода, спирты, амины, карболовые кислоты), в которых существуют более или менее устойчивые комплексы частиц; реагирующие жидкости, молекулы которых имеют незаполненные орбитали и могут образовывать ковалентные связи друг с другом; полимерные жидкости.

Колебательные движения молекул около положений равновесия (как и в твердых телах) в жидкостях сочетаются с трансляционным движением молекул, причем при повышении температуры роль трансляционного движения увеличивается. При приближении к температуре фазового перехода жидкость–газ трансляционное движение молекул начинает доминировать. Трансляционное движение частиц осуществляется перескоками из одного вре́менного положения равновесия в соседнее, причем центр тяжести частиц при каждом «броске» перемещается на расстояние порядка расстояния между частицами (10–8 см). Кроме колебательного и трансляционного движений молекул, как целого, несферические молекулы могут совершать также вращательные движения вдоль направлений связи. Кроме того, в молекулах возможны внутренние движения, соответствующие внутренним степеням свободы.

 

4. Вещества, сочетающие порядок и беспорядок

Промежуточными между периодическими и непериодическими системами являются вещества, сочетающие периодическое упорядочение с определенной степенью беспорядка. При изучении таких веществ можно использовать представления, развитые в физике кристаллов. Например, для исследования энергетического спектра носителей заряда в сильно легированном полупроводнике, содержащем хаотически расположенные атомы примесей, используется известный энергетический спектр носителей заряда в беспримесном кристаллическом полупроводнике.

К таким сложным системам относятся также жидкие кристаллы, сочетающие свойства упорядоченных систем в одних направлениях со свойствами жидкостей – в других направлениях, и супероинные проводники, механизм суперионной проводимости которых связан с высокой подвижностью определенных ионов в жесткой кристаллической структуре, образованной ионами другого сорта. Супероионные проводники обладают необычайно высокой ионной проводимостью, в ~1017 раз превосходящей проводимость такого классического ионного кристалла как NaCl.

 

5. Биополимеры и живая материя

            Особое место среди непериодических систем занимают биополимеры и живая материя. В рамках рассмотренной выше классификации, живые организмы (в том числе и человека) можно рассматривать как упорядоченную непериодическую систему. Живая материя является наиболее сложной формой существования вещества в конденсированном состоянии.

            По степени организации живые организмы являются высшей формой организации материи в природе. Поскольку переход от более простых к более сложным системам всегда сопровождается появлением новых свойств и возможностей, то живая материя, отличающаяся высокой степенью внутренней организации со строго определенными функциями у каждой составной части, неизбежно приобретает качественные отличия от неживых форм существования материи.

            Живая материя состоит из тех же элементов (шесть элементов (C, H, N, O, P, S) составляют 99% общей массы клеток), связанных теми же силами, что и неживая. Поэтому при описании биологических организмов можно использовать все представления, понятия, методы и модели, развитые при исследовании различных форм неживой материи. Вместе с тем живая материя обладает принципиально новыми свойствами и особенностями, качественно отличающими ее от неживой материи. Основные отличия живой материи от объектов неживой природы заключаются в следующем.

            Основной особенностью структурной и функциональной организации живой материи является наличие двух уровней организации: внутриклеточного уровня и межклеточного уровня, на котором осуществляются межклеточные взаимодействия в многоклеточных организмах.

            На первом – клеточном – уровне организации в качестве структурно-функциональных единиц клетки можно рассматривать ионы, атомы и молекулы (в том числе и макромолекулы), ничем не отличающиеся по составу и связям от структурных единиц неживой материи. Макромолекулы построены из повторяющихся звеньев (структурных единиц), называемых мономерами. Сама макромолекула представляет собой полимер.

Каждый биополимер характеризуется определенной последовательностью разнотипных мономерных звеньев (компонентов). В качестве мономеров у белков используются двадцать различных аминокислот, называемых «волшебными», а у нуклеиновых кислот – четыре различных мононуклеотида. Каждый биополимер обладает и уникальной последовательностью чередования мономерных звеньев и уникальной пространственной структурой.

            На втором (межклеточном) уровне сами клетки можно рассматривать как структурно-функциональные единицы живых организмов – «кирпичики», из которых строится живая материя.

            В клетке происходят все процессы, отличающие живую материю от неживой. Главную роль на этом уровне осуществляют системы управления и регулирования самосогласованной функциональной деятельностью клеток. Следует отметить исключительное изящество и экономичность протекающих в клетках процессов, а также удивительное единство принципов функционирования.

Основной чертой химических превращений в живых системах является участие в них специфических биологических катализаторов – ферментов, для которых, во-первых, характерна исключительно высокая избирательность по отношению к веществам, превращения которых они катализируют (субстратам), и, во-вторых, способность катализировать химические превращения при температурах (20÷40)°С в водных растворах со значением рН близким к нейтральному (рН = 7), когда скорость большинства химических реакций очень мала.

Наиболее высокоорганизованными являются ферменты, обеспечивающие синтез новых молекул биополимеров, белков и нуклеиновых кислот. Такие ферменты не только катализируют образование пептидных или межнуклеотидных связей, но и воспринимают информацию, поступающую в виде специальных информационных рибонуклеиновых кислот.

Непрекращающийся процесс структурообразования является процессом самоорганизации. Способность к самовоспроизведению молекул, входящих в состав организма, а также способность к размножению составляют главные признаки всего живого.

            Принято считать, что все существующие на земле организмы и составляющие их клетки произошли эволюционным способом из одной материнской клетки путем случайной вариации генетической информации, передаваемой новым поколениям, и отбора генетических изменений, способствующих наибольшей устойчивости и приспособленности живых организмов к окружающим условиям. Разнообразие клеток по размерам, форме, функциям определило эволюцию всего живого в столь различных направлениях.

Живой организм не находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. При равновесии с окружающей средой живое перестает быть живым. Живой организм представляет собой выделенную, целостную физико-химическую систему с характерными для нее параметрами. Эта система в условиях непрерывно изменяющихся внешних условий поддерживается в стационарном состоянии благодаря непрерывно протекающим биологическим процессам.

Таким образом, биологические объекты являются открытыми системами, которые находятся в неравновесном состоянии. Они взаимодействуют со средой, из которой черпают энергию. Функционирование живого организма основано на том, что он захватывает и перерабатывает потоки энергии, вещества и информации из внешней среды.

Принципиальной особенностью живой материи является то, что она представляет собой активную среду. Под активной подразумевается среда, в каждом микрообъеме которой запасается и выделяется энергия. Активная среда может находиться в трех основных энергетических состояниях: покой, возбуждение и рефрактерность. В состоянии покоя каждый микрообъем среды обладает определенным запасом энергии Е₁, соответствующим ее стационарному состоянию. При внешних воздействиях среда может переходить в возбужденное состояние с энергией Е₂ и находиться в этом состоянии до тех пор, пока запасенная энергия не будет полностью израсходована. После этого среда переходит в наинизшее энергетическое состояние Е₀, получившее название рефрактерности. Из состояния рефрактерности среда не может переходить непосредственно в возбужденное состояние. Первоначально требуется определенное время для восстановления необходимого запаса энергии. При этом среда переходит в состояние покоя, после чего рассмотренный цикл может повторяться снова.

Возбуждения в активной среде описываются особыми волнами, получившими название автоволн. Автоволны являются специфической особенностью активных сред. Это принципиально новый тип волн, не имеющий аналогов в обычных неактивных средах. Примером автоволн являются процессы распространения нервного возбуждения, сокращения сердца, распространения возбуждений в мозге и т.п. Автоволновые процессы имеют определяющее значение для жизнедеятельности живых организмов. Нарушение этих процессов приводит к тяжелым последствиям, например, приступам эпилепсии, фибрилляции сердечной мышцы, нарушению нормального функционирования внутренних органов и др.

Очень интересным направлением в исследовании автоволн является их имитация в неживой материи. Для этого подбираются такие вещества, которые удовлетворяют свойствам активных сред. Например, облучение полупроводников электромагнитным излучением или нагревание обеспечивают условия подведения энергии ко всем микрообъемам вещества. Если теперь подобрать такие материалы, которые могут находиться в трех энергетических состояниях, то в них оказывается возможным генерировать автоволны.

 

Рекомендуемая литература

1.       Г.А. Миронова. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи. т. 1 (2004), 2 (2006). – М.: физический факультет МГУ

Н.Б. Брандт, С.М.Чудинов. Энергетические спектры электронов и фононов в металлах. – М: Изд-во Моск. ун-та, 1980.

Ч. Китель. Введение в физику твердого тела. –М.: Наука, 1978.

Ч. Китель. Квантовая теория твердых тел. –М.: Наука, 1967.

Дж. Займан. Принципы теории твердого тела. – М: Мир, 1966.

Дж. Займан. Электроны и фононы, – М: ИЛ, 1962.

2.       Н. Ашкрофт, Т.Н. Мермин. Физика твердого тела. ч. 1, 2. –М.: Мир, 1979.

3.       Н.Б. Брандт, В.А. Кульбачинский. Квазичастицы в физике конденсированного состояния. - М: Наука, 2004.

4.       М. И. Каганов, И.М. Лифшиц. Квазичастицы. – М: Наука, 1989.

В.В. Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. М: Наука, 1982.

Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплавов, М: Мир, 1968.

В.В. Мощалков, Н.Б. Брандт. Немагнитные Кондо-решетки. УФН, т.149, в.4, 1986.

5.       И.М. Лифшиц, С.А. Гредескул, Л.А. Пастур. Введение в теорию неупорядоченных систем. – М.: Наука, 1982.

6.       Дж. Займан. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем. – М.: Мир, 1982.

7.       В.Ф. Гантмахер. Электроны в неупорядоченных средах. М.: Физматлит, 2003.

8.       И. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах, М.: Мир, т.2. 1982.

9.       В.Л. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин, Р. Кайпер и др. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. – М.: Наука, 1981.

10.   Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977.

11.   И.В. Золотухин. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986.

12.   Я.И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975.

13.   И.М. Лифшиц. Избранные труды. Электронная теория металлов. Физика полимеров и биополимеров, – М.: Наука, 1994.

14.   А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов. Физика в мире полимеров. М.: Наука, 1989.

15.   А.Б. Рубин. Биофизика. в 2-х томах, М.: Высшая школа, 1987.

16.   М.В. Волькенштейн. Биофизика. М.: Наука, 1988.

17.   Г.Р. Иваницкий. Автоволны вокруг и внутри нас. Наука и человечество. М.: Знание, 1989.