科學(xué)家們制造出了一種具有空前韌性的氧化物玻璃。在高壓和高溫條件下，他們成功地使一種硅酸鋁玻璃產(chǎn)生了副結(jié)晶： 由此產(chǎn)生的晶體狀結(jié)構(gòu)使玻璃能夠承受極高的應(yīng)力，并在環(huán)境條件下保持不變。因此，副結(jié)晶被證明是生產(chǎn)極耐破碎玻璃的一種很有前途的工藝。

在許多方面，玻璃都是現(xiàn)代技術(shù)中極具吸引力的材料。然而，玻璃固有的脆性使其容易出現(xiàn)裂縫和斷裂，從而限制了其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。為了在保留玻璃的優(yōu)勢特性的同時大幅提高其韌性，相關(guān)研究在很大程度上都未能取得預(yù)期成果。

創(chuàng)新方法和工藝

(資料圖片僅供參考)

科學(xué)雜志《自然-材料》（Nature Materials）上介紹的新方法從氧化物玻璃入手，這種玻璃具有相當(dāng)紊亂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是商業(yè)應(yīng)用最廣泛的玻璃材料。以含有硅、鋁、硼和氧的硅酸鋁為例，德國和中國的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功賦予其新的結(jié)構(gòu)。為此，他們在拜羅伊特大學(xué)巴伐利亞實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)和地球物理研究所（BGI）采用了高壓和高溫技術(shù)。

玻璃狀（左）和準(zhǔn)晶狀（右）毛玻璃的模擬結(jié)構(gòu)。氧、硅、鋁和鈣元素的原子（從小到大）在周圍結(jié)構(gòu)中的有序程度越高，顏色越淺。圖片來源：Hu Tang

在 10 到 15 千兆帕的壓力和大約 1000 攝氏度的溫度下，硅、鋁、硼和氧原子聚集在一起，形成類似晶體的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)被稱為"準(zhǔn)晶體"，因?yàn)樗鼈兣c完全不規(guī)則的結(jié)構(gòu)差別很大，但它們并不接近晶體的清晰規(guī)則結(jié)構(gòu)。利用光譜技術(shù)進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)分析和理論計(jì)算都清楚地顯示了這種介于晶體結(jié)構(gòu)和無定形不規(guī)則結(jié)構(gòu)之間的中間狀態(tài)。

副結(jié)晶的影響

即使將壓力和溫度降至正常環(huán)境條件下，鋁硅酸鹽玻璃中的副晶體結(jié)構(gòu)依然存在。這些結(jié)構(gòu)滲入玻璃后，玻璃的韌性比副結(jié)晶化之前高出許多倍?，F(xiàn)在的韌性值高達(dá) 1,99 ± 0,06 MPa (m)1/2。這是氧化物玻璃前所未有的韌性。同時，玻璃的透明度并沒有受到副晶結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重影響。

該研究的第一作者 Hu Tang 博士在巴伐利亞實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)和地球物理研究所 (BGI) 的高壓壓力機(jī)前。圖片來源：UBT / Chr.

研究人員解釋說，玻璃的超常強(qiáng)化是由于從外部作用于玻璃的力，通常會導(dǎo)致玻璃破裂或內(nèi)部裂縫，而現(xiàn)在主要是針對準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)。它們?nèi)芙饬诉@些結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域，并將它們變回?zé)o定形的隨機(jī)狀態(tài)。這樣，玻璃作為一個整體就獲得了更大的內(nèi)部可塑性，因此在受到這些甚至更強(qiáng)的外力時也不會破裂或開裂。

未來展望

新研究的第一作者 Hu Tang 博士說："我們的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了一種開發(fā)高耐受性玻璃材料的有效策略，我們計(jì)劃在未來幾年內(nèi)繼續(xù)開展這方面的研究。"

"副結(jié)晶導(dǎo)致的韌性增加表明，原子層面的結(jié)構(gòu)變化會對氧化物玻璃的性能產(chǎn)生重大影響。"巴伐利亞實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)和地球物理研究所的 Tomoo Katsura 教授博士補(bǔ)充說："在這個層面上，玻璃作為一種遠(yuǎn)未枯竭的材料，具有優(yōu)化的巨大潛力。"

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