耗散結(jié)構(gòu)理論在材料制備方面的應(yīng)用

王昕玥（南開大學化學學院，天津300071）

1 耗散結(jié)構(gòu)理論

1.1 耗散結(jié)構(gòu)

由熱力學第二定律可知，自然界的過程是朝著熵增加的方向進行。但仍然有許多現(xiàn)象無法用熵增加原理解釋，如生物體的生長是由單細胞到多細胞；西瓜生長時，土地含水量低，但水不會從西瓜進入到泥土里，反而會從泥土里聚集到西瓜等。這些現(xiàn)象與平衡態(tài)的熱力學的規(guī)律相反，而耗散結(jié)構(gòu)理論完美地解釋了這些現(xiàn)象。

耗散結(jié)構(gòu)是一種非線性效應(yīng)，因為其遠離平衡態(tài)，所以需要外界提供物質(zhì)或能量交換來維持此更高級的有序結(jié)構(gòu)，因此形成耗散結(jié)構(gòu)必須具備系統(tǒng)開放、遠離平衡、存在非線性動力學過程這3個條件。

1.2 耗散結(jié)構(gòu)理論

綜合上述簡介，耗散結(jié)構(gòu)理論可總結(jié)為：一個系統(tǒng)在遠離平衡態(tài)時，通過改變外界條件，由一種有序狀態(tài)突變?yōu)榱硪环N更高級的有序狀態(tài)，并由外界的能量和物質(zhì)來維持此有序結(jié)構(gòu)[1]。

2 耗散結(jié)構(gòu)在材料制備方面的應(yīng)用

2.1 自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）

改變外界條件，例如施加力、或者提供熱能、電磁能、光能等，可以引起許多材料性能的變化。例如，對某些鋼材進行淬火處理，可以發(fā)生馬氏體相變而提高鋼材硬度；快速冷卻以制備納米級晶體；利用自蔓延高溫合成技術(shù)[2]制備滿足特定結(jié)構(gòu)功能的材料等等。下面將具體講解自蔓延高溫合成技術(shù)及其具體應(yīng)用。

自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)是近幾年較為先進的材料合成技術(shù)。其基本過程為:首先由外界給體系提供能量，引發(fā)局部化學反應(yīng)的發(fā)生,同時形成反應(yīng)波,之后該放熱反應(yīng)將在自身供能的條件下繼續(xù)進行,使相鄰物料反應(yīng)。此過程不間斷重復，從而形成一個以一定速度蔓延的反應(yīng)波。隨著波的推進,產(chǎn)物得以不斷生成,等到整個體系反應(yīng)完全,就合成了所需的材料。這樣的蔓延過程可以看做是逐層的瞬間點火過程,在這一“點火”瞬間,包含了耗散結(jié)構(gòu)原理。

根據(jù)反應(yīng)波的不同傳播特征，可將SHS 分為以下幾種類型：穩(wěn)定態(tài)燃燒、振蕩燃燒和螺旋燃燒。反應(yīng)波的不同傳播特征在微觀和宏觀上給產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)帶來一定影響。

(1)穩(wěn)定態(tài)燃燒中反應(yīng)波以均勻速度向四周傳播。其產(chǎn)物也因此呈均勻分布。

(2)振蕩燃燒的反應(yīng)波的速度隨時間發(fā)生周期性變化。其產(chǎn)物會呈現(xiàn)層狀有序結(jié)構(gòu)排列分布。圖1 為SHS 技術(shù)合成的Fe/TiC樣品的表面特征,它的層狀分布和周期性振蕩相一致。

(3)螺旋燃燒的燃燒波以旋轉(zhuǎn)的方式蔓延，表現(xiàn)出時間和空間上的雙重周期性。圖2 為螺旋式合成的Ni3Si 的表面特征,它的結(jié)構(gòu)周期大小與螺旋距大小相一致。螺旋燃燒的產(chǎn)物沿螺旋軸方向呈正弦曲線分布的特征。

圖1 Fe/TiC的振蕩燃燒表面特征

圖2 Ni3Si的螺旋燃燒的樣品的表面特征

自蔓延高溫合成技術(shù)就是利用耗散結(jié)構(gòu)理論，通過控制條件，以保證合成材料的過程是在穩(wěn)態(tài)下進行的，從而提高材料的使用性能。同時，可以在人為施加一定條件的情況下，定向的制備具有特定結(jié)構(gòu)的材料，滿足人們需求。

2.2 SHS技術(shù)在陶瓷方面的應(yīng)用

近些年來，對于材料的需求不僅限于性能優(yōu)良，還需要其結(jié)構(gòu)外觀美麗。張振禹等[4]人在研究金屬陶瓷釉的過程中，首次發(fā)現(xiàn)了陶瓷中存在的耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。這促進了陶瓷制造的發(fā)展，對研制新的藝術(shù)陶瓷釉具有十分重要的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在仿銅金屬光澤釉層面有大量金屬氧化物晶體的定向排列。有的晶相與釉層平行；有的呈現(xiàn)六邊形規(guī)則；有的為樹枝狀分布。

宏觀上看，陶瓷釉體中晶體的排列是一種有序現(xiàn)象。樣品中晶體的排列，則是一種對流有序現(xiàn)象；某些樣品中的樹枝狀排列模式和明暗相間的形狀，和雪花的微觀結(jié)構(gòu)類似。我們可以利用耗散結(jié)構(gòu)理論解釋它們的宏觀有序現(xiàn)象,即陶瓷金屬釉是一種遠離熱力學平衡狀態(tài)、通過改變溫度漲幅而形成的耗散結(jié)構(gòu)。

圖3

圖4

自然界的反應(yīng)總是傾向于在平衡態(tài)穩(wěn)定存在，同樣地，耗散結(jié)構(gòu)對非平衡條件也十分敏感。一般來說，這種高敏感度對制備材料的穩(wěn)定性在一定程度上是不利的，但是高敏感度給材料結(jié)構(gòu)的變化帶來多種可能，從而制備出讓人們意想不到的、具有特殊美感的藝術(shù)制品。圖3、圖4 是將金屬釉分別按照不同的方式滴加后，釉燒出現(xiàn)的陶瓷結(jié)構(gòu)圖案。圖3顯示出不同的彩環(huán)構(gòu)造，這與Liesegang 沉淀環(huán)相似；圖4 則呈花朵狀。利用仿銅金屬光澤釉的耗散結(jié)構(gòu)，還可以燒制的動物紋樣。

改變燒制溫度，可以使光澤釉以不同的擴散速度在陶瓷表面停留，從而形成顏色深淺不一的紋路；控制滴釉速度與方式，可以改變釉的分布密度，展示不同的堆疊藝術(shù)之美；這些并非可以打造，而是自然形成的美麗紋路都是耗散理論體系帶給陶瓷材料的自然之美，更加揭示了化學的魅力。

3 展望

基于上述關(guān)于耗散理論在材料方面的具體應(yīng)用，在我看來，耗散體系理論將平衡與不平衡相互聯(lián)系，打破了人們思想中“不可兼容”的慣性思維，給人們未來探索、創(chuàng)造自然之美提供無限可能。耗散結(jié)構(gòu)理論在材料學的研究，將極大地促進材料技術(shù)和藝術(shù)的發(fā)展，對材料性能的提高、結(jié)構(gòu)外觀的推陳出新起到極大的推動作用。在不久的將來，人們使用的材料將不僅使用性能高，而且結(jié)構(gòu)有序、給人以美的享受。