Кратко: кристаллическая структура имеет упорядоченную периодическую решётку (долгосрочный порядок), аморфная — лишь короткодействующий порядок (нет трансляционной периодичности). Это приводит к систематическим различиям в механических, термических, электронных, оптических и химических свойствах.
Главные пункты (с пояснениями):
- Порядок и анизотропия
Кристаллы — периодичность → направленные (анизотропные) свойства (модуль упругости, проводимость меняются с направлением). Аморфные материалы в среднем изотропны на макроуровне из-за отсутствия дальнего порядка.
- Дефекты и пластическая деформация
В кристаллах пластичность определяется движением дислокаций; имеются плоскости скольжения. В аморфах дислокаций нет — пластическая деформация происходит через локальные сдвиги (shear transformation zones), что часто даёт высокую прочность и хрупкость (пример — металлическое стекло).
- Механические свойства
Кристаллы: пластичность и текучесть при наличии дислокаций; прочность часто ниже предела прочности аморфного аналога.
Аморфы: высокая предельная прочность и твёрдость, меньшая пластичность.
- Фазовые переходы и температурная стабильность
Кристалл имеет чёткую точку плавления $T_m$. Аморфный материал не плавится резко, а демонстрирует стеклеподобный переход при $T_g$ (область перехода, не единая точка).
- Теплопроводность (фононы)
В кристаллах фононы — нормальные квазичастицы с большой длиной свободного пробега $l$, поэтому теплопроводность выше. В аморфных материалах сильное рассеяние фононов → короткий $l$ → низкая теплопроводность. Типичное приближение:
$$k\approx \frac{1}{3}Cvl,$$ где $C$ — объёмная теплоёмкость, $v$ — скорость фононов, $l$ — средняя длина свободного пробега.
- Электронная проводимость и оптические свойства
Кристаллы формируют хорошо определённые энергетические зоны (band structure) → чёткие проводниковые или полупроводниковые свойства (высокая подвижность носителей). Аморфы имеют локализованные хвостовые состояний и «мобилити-щель» → низкая подвижность, часто перекрытие/хоппинг-перенос зарядов; оптически аморфы сильнее рассеивают свет при несоответствии однородности.
- Диффузия и химическая реактивность
Аморфные материалы обычно имеют более высокие коэффициенты диффузии (меньший энергетический барьер), что ускоряет реакции и старение. Диффузия часто описывается законом Аррениуса:
$$D=D_0\exp \left(-\frac{E_a}{k_{B}T}\right).$$ В кристаллах диффузия ограничена дефектами (вакансии, границы зерен).
- Плотность и упакованность
Часто (но не всегда) кристаллическая фаза плотнее из-за более эффективной упаковки; аморфная может иметь более свободный объём и повышенную внутреннюю энергию (метастабильность).
- Электронные и оптические приложения — примеры
Кристаллический кремний: высокие подвижности → микроэлектроника. Аморфный кремний: удобен для тонкоплёночных солнечных элементов и дисплеев (легче осаждается, но хуже перенос заряда).
Итого: основная причина различий — наличие или отсутствие дальнего порядока, что определяет механизмы переноса (дислокации vs локальные сдвиги, квазичастицы vs сильное рассеяние), энергетическую структуру и наличие дефектов; из этого следуют различия в прочности, пластичности, теплопроводности, электрических свойствах, реакционной способности и устойчивости при нагреве.