Дослідники з Університету Байройта разом із партнерами з Китаю та США виготовили оксидне скло з безпрецедентною міцністю.
Під високим тиском і температурами їм вдалося паракристалізувати алюмосилікатне скло: отримані кристалоподібні структури змушують скло витримувати дуже високі навантаження та зберігатися в умовах навколишнього середовища. Таким чином, паракристалізація є багатообіцяючим процесом для виробництва надзвичайно стійкого до розбивання скла. У «Nature Materials» дослідники представляють свої висновки, в яких також брав участь Національний дослідницький центр (DESY) м. Гамбург.
Багато в чому скло є привабливим матеріалом для сучасних технологій. Однак його крихкість, яка легко призводить до тріщин і розломів, обмежує його потенційні можливості застосування. Дослідницькі підходи до значного підвищення міцності скла, зберігаючи його корисні властивості, здебільшого не дали бажаних результатів.
Новий підхід, представлений у «Природних матеріалах», починається з оксидного скла, яке має досить невпорядковану внутрішню структуру та є найбільш широко комерційно використовуваним скляним матеріалом. Використовуючи алюмосилікат, який містить кремній, алюміній, бор і кисень, як приклад, дослідницькій групі з Німеччини та Китаю вдалося надати йому нову структуру. Для цього вони застосували технології високого тиску та високої температури в Баварському науково-дослідному інституті експериментальної геохімії та геофізики (BGI) Університету Байройта.
При тиску від 10 до 15 гігапаскалів і температурі близько 1000 градусів за Цельсієм атоми кремнію, алюмінію, бору та кисню групуються разом, утворюючи кристалоподібні структури. Ці структури називаються «паракристалічними», тому що вони істотно відрізняються від абсолютно нерегулярної структури, але не наближаються до чіткої регулярної структури кристалів. Як емпіричний аналіз із застосуванням спектроскопічних методів, так і теоретичні розрахунки чітко показали цей проміжний стан між кристалічними структурами та аморфною нерегулярністю.
Навіть після зниження тиску і температури до нормальних умов навколишнього середовища паракристалічні структури в алюмосилікатному склі залишаються. Проникнення скла цими структурами призводить до того, що в'язкість скла в рази вище, ніж до паракристалізації. Тепер він досягає значення до 1,99 ± 0,06 МПа (м)¹/². Ця міцність ніколи раніше не вимірювалася для оксидного скла. У той же час на прозорість скла серйозно не впливають паракристалічні структури.
Дослідники пояснюють надзвичайне зміцнення скла тим фактом, що сили, що діють на скло ззовні, які зазвичай призводять до поломки або внутрішніх тріщин, тепер в основному спрямовані проти паракристалічних структур. Вони розчиняють ділянки цих структур і перетворюють їх назад в аморфний, випадковий стан. Таким чином, скло в цілому набуває більшої внутрішньої пластичності, так що воно не розбивається і не тріскається під впливом цих або навіть сильніших сил.
Змодельована структура склоподібного (ліворуч) і паракристалічного (праворуч) гроссуляра. Атоми елементів кисню, кремнію, алюмінію і кальцію (від малого до великого) забарвлені тим світліше, чим вище ступінь упорядкованості навколишньої структури. © Ху Тан.
«Наше відкриття підкреслює ефективну стратегію розробки високостійких до пошкоджень скляних матеріалів, яку ми плануємо продовжити в наших дослідженнях у найближчі роки», — сказав доктор Ху Тан, автор нового дослідження.
«Підвищення міцності внаслідок паракристалізації показує, що структурні зміни на атомному рівні можуть мати значний вплив на властивості оксидного скла. На цьому рівні існує великий потенціал для оптимізації скла як матеріалу, який ще далеко не вичерпаний», додає професор, доктор Томоо Кацура з Баварського науково-дослідного інституту експериментальної геохімії та геофізики.
