Все твердые тела принято делить на две основные группы — кристаллические и аморфные — в зависимости от характера пространственной организации их структурных единиц (атомов, молекул или ионов). Различие между этими состояниями носит фундаментальный характер и определяет их физические свойства.
В кристаллическом состоянии частицы располагаются в пространстве упорядоченно, образуя трёхмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решёткой. Такая решётка описывается при помощи элементарной ячейки, которая повторяется во всех направлениях. В отличие от этого, аморфные тела не обладают дальним порядком — их структура хаотична, хотя на малых расстояниях может наблюдаться определённая локальная упорядоченность (ближний порядок).
Кристаллические вещества характеризуются пространственной периодичностью. Любая точка кристалла может быть получена переносом вдоль трёх линейно независимых векторов трансляции:
R⃗ = n1a⃗1 + n2a⃗2 + n3a⃗3,
где n1, n2, n3 ∈ ℤ, а a⃗1, a⃗2, a⃗3 — векторы элементарной ячейки.
Симметрия играет ключевую роль в классификации кристаллов. Выделяют семь кристаллографических систем: кубическую, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, моноклинную, триклинную и тригональную. Каждая система задаёт ограничения на форму элементарной ячейки и углы между её рёбрами.
По природе связей между частицами различают несколько типов кристаллических решёток:
Одной из фундаментальных черт кристаллов является анизотропия — зависимость физических свойств от направления. Скорость распространения звука, теплопроводность, коэффициент преломления и другие характеристики могут существенно различаться в разных кристаллографических направлениях. Это объясняется направленной структурой решётки и различиями в плотности упаковки атомов.
В аморфных телах, таких как стекло, смолы, каучук, нет повторяющейся периодической структуры. Молекулы и атомы расположены неупорядоченно, хотя в пределах нескольких межатомных расстояний наблюдается определённый ближний порядок. Это придаёт аморфным телам свойства, промежуточные между кристаллами и жидкостями.
Ввиду отсутствия периодичности и регулярной симметрии, аморфные материалы обладают изотропией — их физические свойства не зависят от направления. Такой подход значительно упрощает моделирование поведения аморфных тел, особенно в механике сплошной среды.
Аморфные вещества получают путём быстрого охлаждения жидкости, минуя стадию кристаллизации. В результате возникает стеклообразное состояние — метастабильное состояние вещества, в котором вязкость становится настолько высокой, что вещество ведёт себя как твёрдое. При медленном охлаждении жидкость переходит в кристалл, но при быстром — “замораживается” структура жидкости.
При дальнейшем длительном хранении или нагревании возможно частичное упорядочивание структуры — структурная релаксация, а при определённых условиях — кристаллизация стекла.
Кристаллическое состояние является более устойчивым с термодинамической точки зрения. При одинаковой температуре оно обладает более низкой энтальпией и энтропией, чем аморфное. Это объясняет стремление аморфных тел к кристаллизации — переход к состоянию с меньшей энергией.
У кристаллов при переходе из твёрдого состояния в жидкость наблюдается чётко выраженная температура плавления, сопровождаемая скачком теплоёмкости и выделением тепла плавления. У аморфных тел наблюдается переход в стекло при температуре Tg, характеризующийся постепенным изменением теплоёмкости без чётко выраженного латентного тепла.
Кристаллы и аморфные тела по-разному реагируют на механическое воздействие. Кристаллические материалы, особенно с ионной или атомной решёткой, склонны к хрупкому разрушению вдоль определённых кристаллографических плоскостей (плоскостей скольжения). В металлических кристаллах возможна пластическая деформация благодаря движению дислокаций.
Аморфные тела, лишённые кристаллической решётки, демонстрируют вязкоупругое поведение: они деформируются как упругие тела при малых нагрузках и как вязкие жидкости при длительном воздействии. Такое поведение особенно ярко выражено у полимерных стекол и органических аморфных веществ.
В кристаллах диффузия происходит в основном по дефектам решётки (вакансиям, межузельным атомам), тогда как в аморфных телах она имеет более равномерный, но менее интенсивный характер из-за отсутствия каналов или предпочтительных направлений. В результате коэффициенты диффузии в аморфных телах, как правило, ниже.
Теплопроводность кристаллов осуществляется за счёт квазичастиц — фононов, распространяющихся по упорядоченной структуре. В аморфных телах фононное описание теряет смысл, теплоперенос происходит преимущественно за счёт локализованных колебаний и носит менее эффективный характер. Это делает аморфные материалы хорошими теплоизоляторами.
Кристаллы широко используются в промышленности: полупроводники (кремний, германий), оптические материалы (кварц, алмазы), металлические сплавы, керамика. Аморфные материалы находят применение в производстве стёкол, пластиков, защитных покрытий, аморфных сплавов с уникальными магнитными свойствами.
Современные технологии также используют промежуточные состояния — нанокристаллические материалы, состоящие из кристаллитов, размером до нескольких нанометров, окружённых аморфной фазой. Это позволяет сочетать прочность кристаллов и вязкость аморфных тел.
Переход между кристаллическим и аморфным состояниями зависит от кинетики и условий термообработки. Быстрое охлаждение затрудняет формирование кристаллических центров и способствует образованию аморфной фазы. Обратный процесс — кристаллизация — возможен при нагреве выше температуры стеклования и требует активации процессов диффузии и перестройки структуры.
Контроль этих переходов лежит в основе технологий закалки, получения стекол, термической обработки полимеров, а также играет ключевую роль в физике фазовых переходов и неравновесных систем.