Коротко — в кристаллической и в аморфной формах одного и того же вещества (на примере SiO2) одинаковы многие локальные химические элементы (те же типы связей Si–O), но различается упорядоченность на средних и больших расстояниях (топология связей). Это приводит к заметным различиям во многих физических и химических свойствах. Далее — по пунктам.

1) Структура: что одинаково, что разное

Коротко‑радиусная (локальная) структура: в большинстве природных полиморфов SiO2 (α‑кварц, tridymite, cristobalite) и в стекле SiO2 основания — тетраэдры SiO4, где Si связан с четырьмя O. Поэтому расстояние Si–O (~1.60 Å) и энергия этой ковалентной связи в обеих формах похожи.Средний и дальний порядок (топология): в кристалле тетраэдры упорядочены в периодическую сеть (конкретная схема связи, регулярные углы Si–O–Si, периодические кольца). В аморфном стекле те же тетраэдры связаны в беспорядочную трёхмерную сеть: нет трансляционной периодичности, распределение углов и размеров кольцевых фрагментов шире.Исключения: при больших давлениях Si может менять координацию (например, стишовит — SiO6, плотность и свойства резко меняются). Это уже изменение локальной топологии.

2) Как это отражается в эксперименте

Рентген/нейтронная дифракция: кристалл даёт острые рефлексы (Bragg), стекло — широкий «гало» (нет дальнего порядка). Парные функции распределения (PDF) показывают: первая координационная оболочка (Si–O) похожа, но различия видны на расстояниях >3 Å.Спектры (Raman, IR): у кристалла — узкие гармонические моды; у стекла — расширенные, уширенные полосы и дополнительная «босонова вершина» в низкочастотной области из‑за локализованных/разбросанных колебаний.

3) Физические свойства и от чего они зависят

Плотность: зависит от упаковки сети и средних углов Si–O–Si. Пример: α‑кварц ≈ 2.65 g/cm3, плавленое (fused) SiO2 ≈ 2.20–2.23 g/cm3; при переходе к более плотным кристаллам (coesite, stishovite) плотность растёт сильно из‑за изменения координации.Механические свойства: упругая жёсткость и модуль сдвига зависят от сетевой жёсткости (распределение кольцевых структур, углов). Кристаллы часто анизотропны по упругим константам; стекло изотропно, но его жёсткость определяется средней топологией сети и напряжениями.Твердость/пластичность, механизм разрушения: кристаллы могут иметь плоскости излома/клева (анизотропное разрушение); стекло даёт характерный бесформенный (кокойдальный) излом и очень хрупкое поведение без скользящих плоскостей.Теплопроводность и тепловая ёмкость: в кристалле хорошо определённые фононы, теплопроводность обычно выше и направленно зависит от кристаллографических осей; в аморфе фононы сильнее рассеиваются, теплопроводность ниже и температура‑зависимость иная, спектр колебаний шире.Тепловое расширение и переходы: кристалл имеет чёткую температуру плавления и обычно более высокий коэффициент теплового расширения (и часто анизотропный); стекло не имеет единой точки плавления — есть стеклование и диапазон размягчения (Tg), у чистого fused silica очень низкий коэффициент теплового расширения.Оптика: кристаллы могут быть оптически анизотропны (например, кварц — двулучепреломление), иметь направленные оптические моды; стекло — изотропно, обычно ниже показатель преломления (fused silica n ≈ 1.458 @589 nm, кварц n≈1.54–1.55, причём у кварца — ordinary/extraordinary).Электрические/диэлектрические свойства: кристаллы дают резонансные колебания и анизотропную диэлектрическую проницаемость; аморфный материал — более однородную, часто большую диссипацию в GHz–THz диапазоне. Наличие дефектов/локализованных состояний в аморфе даёт уширение электронных состояний (Urbach tail).Химическая устойчивость и реактивность: локальная сила Si–O обеспечивает химическую стойкость. Однако средне‑/дальне‑регулярность и наличие дефектов (силинольные группы Si–OH, неполные связи, не‑мостовые кислороды) определяют скорость коррозии/растворения и реактивность поверхности. Стекло с дефектной поверхностью и микронеравностями обычно легче подвергается щелочному выщелачиванию, чем идеализированный кристалл; но чистая fused silica очень устойчива химически.Электронные и люминесцентные свойства: в аморфе больше локализованных состояний в запрещённой зоне (ловушки, центры), что влияет на поглощение в краевой области и на светоизлучение/дефектную люминесценцию.

4) Почему именно топология важна (физика причин)

Долгопорядочный порядок определяет разрешённые колебательные моды (фононы) и их распространение: в периодической системе фононы — волновые состояния с дисперсией; в беспорядочной — волновые состояния локализованы, усилено рассеяние → меньше теплопроводность, более широкие спектральные линии.Топология кольцевой сети (распределение колец различного размера) и средние углы Si–O–Si контролируют плотность упаковки и, следовательно, плотность, модуль упругости и массу деформационного пространства (пустоты, свободный объём).Наличие/отсутствие симметрии даёт/не даёт анизотропию свойств (оптической, механической и т. п.).Дефекты и неоднородности в аморфе создают локализованные электронные и вибрационные состояния, влияющие на поглощение, люминесценцию, реакционную активность.Перенос масс/диффузия: в кристалле часто нужны дефекты (вакансии, междоузлия) и они проявляются по специальным механизмам; в аморфе есть распределение локально свободных каналов/пустот, и диффузионные пути отличаются по энергии и траекториям.

5) Практические следствия (примерные применения)

Fused silica используют там, где нужна высокая оптическая прозрачность и низкий α (оптика, телескопы, резонаторы), благодаря изотропии и малому термическому расширению.Кварц (кристалл) применяют там, где пользуются пьезоэлектрическими, акустическими или оптическими анизотропными свойствами (резонаторы, фильтры).Под высоким давлением превращения к другим топологиям (coesite, stishovite) демонстрируют, как изменение координации кардинально меняет плотность, прочность и оптику.

6) Краткая сводка: какие свойства зависят в первую очередь от топологии

Зависимость сильная (от дальнего/среднего порядка): теплопроводность, тепловое расширение, упругие константы и их анизотропия, оптическая двулучепреломление/изотропия, наличие чёткой точки плавления vs стеклование, спектр фононов, механизмы разрушения.Зависимость умеренная (от локальной структуры + топологии): плотность, твёрдость, пластичность, диффузия.Зависимость слабая (в основном от химии связей, а не от топологии): энергия Si–O связи, приблизительные частоты наиболее локальных колебаний, базовая химическая устойчивость (но скорость реакций сильно зависит от дефектов/поверхности).

Если хотите, могу показать конкретные экспериментальные спектры (Raman, XRD, PDF), сравнить числовые значения основных параметров (плотность, n, α, Tg и т. п.) или пояснить модельно (например, как распределение углов Si–O–Si влияет на плотность и модуль по теории ограничений).