I. Иерархия структурных уровней - основа структурной инженерии неорганических материалов

В современной научно-технической терминологии принято называть материалом такой вещественный объект, природный или созданный в процессе синтеза и целенаправленной обработки, которому предписана определенная, заранее заданная полезная функция. Неорганический материал – это материал, основой которого являются неорганические твердые вещества. Неорганические материалы характеризуются определенным химическим составом и структурой, которые и определяют необходимую для выполнения заданной функции совокупность их свойств.

Структура материала есть качественная характеристика взаиморасположения и взаимосвязей его определенных составных частей – структурных элементов. В зависимости от принятого масштаба можно выделить в любом материале разные структурные уровни, образующие некоторую последовательность, или иерархию.

Применительно к неорганическим материалам иерархию структурных уровней следует рассматривать как частный случай иерархии структурных уровней материи в целом. Наиболее полно и наглядно этот вопрос был рассмотрен В. Вайскопфом при описании так называемой «квантовой лестницы» в строении материи. Квантовая лестница представляет собою последовательность структурных состояний и линейных масштабов структурных элементов материи, реализуемых путем поэтапного увеличения (или уменьшения) передаваемой энергии.

В качестве основного состояния вещества можно выбрать совокупность атомов с неизменной внутренней структурой, которые могут обмениваться только кинетической энергией при упругих столкновениях. При повышении энергии будет происходить ионизация атомов, они будут распадаться на электроны и ионы, в конечном счете – на электроны и ядра. До определенных энергий ядра будут сохраняться как единое и неделимое целое, однако при дальнейшем возрастании энергии внешнего воздействия ядра распадутся на протоны и нейтроны. Вещество станет неструктурированной смесью элементарных частиц. По современным представлениям при еще более высоких энергиях тяжелые элементарные частицы (адроны) будут распадаться на кварки. Каждой ступеньке квантовой лестницы отвечает определенный пороговый уровень энергии, нарушающей устойчивость данной структуры, и этот порог тем выше, чем мельче ее линейный масштаб.

Если двигаться по квантовой лестнице от основного состояния в сторону уменьшения энергии и соответственно увеличения масштаба, мы будем наблюдать объединение атомов в молекулы или кристаллы, обладающие определенной внутренней структурой. При этом структурная устойчивость молекул будет тем ниже, чем крупнее молекулы. Наименьшей устойчивостью и соответственно наибольшей подвижностью отдельных элементов структуры обладают макромолекулы, составляющие, в частности, основу биологических объектов. Многие кристаллы также обладают пониженной устойчивостью, испытывая различные полиморфные превращения при понижении температуры или легко изменяя форму при пластическом деформировании. Пороговые энергии устойчивости таких структур в расчете на один атом могут составлять менее 10^-2 эв. Следует подчеркнуть, что в обоих случаях речь идет о пониженной устойчивости сложной структуры как целого. Связь атомов в отдельных элементах макромолекулы, так же как связь между соседними атомами в кристалле, определяется конфигурациями электронных орбит атомов, поэтому является достаточно прочной и характеризуется энергиями такого же порядка, как энергия устойчивости самих атомов, т.е. нескольких электрон-вольт.

Для материаловедения наиболее важной является именно эта, нижняя часть квантовой лестницы, так как разнообразие структурных состояний в твердых телах позволяет гибко и многосторонне с помощью внешних воздействий управлять их физическими, физико-механическими, физико-химическими и другими свойствами.

Обратимся к проблеме установления иерархии структурных уровней в неорганических материалах. В материаловедении, как и ранее в металлографии, различают структуры и соответствующие структурные элементы разного масштаба – от видимых невооруженным глазом до таких, какие можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа высокого разрешения (0,1 – 0,2 нанометра). Эти структурные уровни не являются независимыми. Каждая структура более крупного масштаба включает в себя в той или иной степени характерные черты всех нижележащих уровней. Таким образом, материал следует трактовать как сложную многоуровневую иерархическую систему, типичный и наиболее общий вид которой отражен в таблице 1.

Понятие выделенного элемента структуры заслуживает дополнительного объяснения. В каждом конкретном случае он выбирается таким образом, чтобы наиболее полно отразить структурную чувствительность свойств, управляемых данным структурным уровнем. При этом выделенный для одного структурного уровня элемент, условно рассматриваемый как единое целое, выступает как подсистема со сложной внутренней структурой для другого, более низкого уровня, построенная из других выделенных элементов. Конкретные примеры, иллюстрирующие этот принцип, будут рассмотрены ниже.

Таблица 1