Molecular kinetics in amorphous solids

Department of Materials Science and Engineering, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada L8S 4L7, Canada.

Abstract

This essay is based on a lecture presented on the occasion of the award of Le Prix Aniuta Winter-Klein by l’Académie des Sciences, on 4 June, 1992 at the Institut National des Sciences Appliquées, Villeurbanne, France. It describes the various aspects of molecular motions in amorphous solids and their consequences for the thermodynamic, mechanical and electrical properties of such solids. After discussing the nature of disorder, a central theme, namely that the properties of an amorphous solid are determined by the presence of spatially random regions of frozen-in density fluctuations in its molecular or atomic structure, has been developed. Localized diffusion involving both phonon-assisted tunneling, and thermal activation, in these regions contribute to the thermodynamic and kinetic behaviours of a solid and liquid. The number of such regions, or the extent of heterogeneity in an amorphous structure, determines the temperature and time-dependence of the properties of an amorphous solid.

Résumé

Essai tiré de la conférence faite pour la remise du prix A. Winter-Klein de l’Académie des Sciences, à l’INSA de Villeurbanne le 4 juin 1992. Il décrit les mouvements moléculaires dans les solides amorphes, et leurs effets sur les propriétés thermodynamiques, mécaniques, électriques de ces solides. Après discussion de la nature du désordre, on développe l’idée centrale que les propriétés d’un solide amorphe dépendent de la présence de fluctuations de densité figées, distribuées de façon aléatoire. Une diffusion localisée, mettant en jeu un tunneling assisté par phonon et une activation thermique, contribuent aux comportements thermodynamiques et cinétiques de solide et liquide. Le nombre de ces zones, l’importance de l’hétérogénéité dune structure amorphe, déterminent température et dépendance au temps des propriétés d’un solide amorphe.