Amorphous substance

A general term for solids that are not crystalline. Also called non-crystalline, amorphous, or shapeless.

Whether a solid is crystalline or not is mainly determined by whether or not a clear diffraction phenomenon is observed by X-ray diffraction. Therefore, a material that does not give a clear X-ray diffraction pattern is amorphous. If there is a regular arrangement of atoms over a long distance on the scale of interatomic distances, a clear X-ray diffraction pattern of a crystal is usually observed. Even if it is crystalline, if the individual particles are in fine powder form with a particle size of less than 0.1 micrometers, a clear X-ray diffraction pattern is unlikely to appear. Even clay minerals and graphite (graphite), which essentially have a regular atomic arrangement structure as a crystal, are called amorphous when in such a fine powder state. Glass can generally be considered as a frozen or extremely viscous liquid, and is essentially amorphous with a disordered atomic arrangement.

Some minerals that contain a lot of radioisotopes have a polyhedral structure that shows the symmetry of a crystal, but do not give a clear X-ray diffraction pattern. These are called metamicts. Radiation damage causes the destruction of the crystal lattice on the scale of interatomic distances, so even if they appear crystalline macroscopically, they become amorphous microscopically.

Amorphous materials can be produced by rapid cooling of a solution or melt, by condensation of a gas onto a cooled substrate, by gelling a solution and then cooling. Once produced, amorphous materials often crystallize when heated or left standing for a long time.

Ordinary glass, quartz glass, polystyrene, silica gel, etc. are used in large quantities for building, optics, containers, etc., and amorphous materials are also widely used as functional materials that take advantage of the characteristics of amorphous materials that differ from those of crystals.

In addition to silica glass, metal complex fluoride glass is attracting attention as a new material for optical fibers, and amorphous silicon is used in solar cells. As for photoelectric materials, amorphous selenium is used to generate light images in electrophotography (dry copying), and amorphous carbon powder (toner) is used as a printing agent. Carbon and nitrogen group chalcogenides are important materials for imaging devices, optical recording materials, resists, etc. Alloys of various compositions of metals or nonmetals of transition elements and typical elements (main group elements) are called amorphous metals, and are new materials that exhibit magnetic and mechanical properties different from conventional crystalline alloys.

[Shinmyo Iwamoto, July 21, 2015]

"Amorphous" by Sakuka Sumio (1983, Kyoritsu Publishing)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

結晶ではない固体の総称。非結晶質、無定形物質、あるいはアモルファスともいう。

　固体が結晶であるかないかの判定は、主としてX線回折法で明確な回折現象が示されるかどうかによる。したがって、明確なX線回折像を与えない物質が非晶質である。原子間距離の尺度での長距離にわたる原子の規則的配列があれば、通常は結晶としての明確なX線回折像が観測される。結晶であっても、個々の粒径が0.1マイクロメートル以下程度の微粉末になると、明確なX線回折像は現れがたい。本質的には結晶としての規則的原子配列構造を保有している粘土鉱物や石墨（黒鉛）でも、そのような微粉末の状態では無定形とよばれる。ガラスは一般に凍結した、あるいはきわめて粘度の高い液体とみることが可能であり、本質的に無秩序な原子配列をとる非晶質である。

　放射性同位体を多く含む鉱物においては、外形は結晶としての対称性を示す多面体構造を保持していながらも、明確なX線回折像を与えないものがあり、これをメタミクトmetamictという。放射線損傷によって原子間距離の規模での結晶格子の破壊がおこり、巨視的には結晶のようであっても、微視的には非晶質となるのである。

　非晶質は、溶液あるいは融体の急激な冷却、気体の冷却された基板上への凝着、溶液のゲル化と徐熱などの方法でつくられる。いったん生成した非晶質は、加熱あるいは長時間の放置によって結晶化することが多い。

　建築用、光学用、容器用などの普通のガラス、石英ガラス、ポリスチレン、シリカゲルなどは多量に使用される非晶質材料であるが、結晶とは異なる非晶質の特性を活用した機能性材料も利用例が多い。

　光ファイバーには石英系ガラスのほか、金属複フッ化物ガラスが新材料として注目を集めており、太陽電池には非晶質ケイ素が使われる。光電材料としては、電子写真（乾式複写）の光像生成に無定形セレンが、印写剤に無定形炭素粉末（トナー）が使われる。炭素族および窒素族のカルコゲン化物は撮像デバイス、光記録材料、レジストなどの材料として重要である。遷移元素、典型元素（主要族元素）の金属あるいは非金属のさまざまな組成の合金はアモルファス金属とよばれ、従来の結晶性合金とは異なる磁気的性質、機械的性質を発揮する新材料となっている。

［岩本振武　2015年7月21日］

『作花済夫著『アモルファス』（1983・共立出版）』

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