科学家开发出异常坚韧的氧化物玻璃

来自拜罗伊特大学的科学家与中国和美国的合作伙伴共同研发出了一种具有非凡韧性的氧化物玻璃。研究人员成功地在高压高温条件下对铝硅酸盐玻璃进行了类晶化处理：由此产生的类晶结构使得玻璃能够承受非常高的应力并在常温下保持稳定。

玻璃(左)和仿石英(右)母砂的模拟结构。 元素氧、硅、铝和钙的原子(从小到大)颜色越浅，周围结构的有序度越高。

研究结果表明，类晶化似乎是生产极具抗破坏性玻璃的一种有前途的工艺。研究人员在《自然材料》杂志上发表了他们的发现，德国电子同步加速器(DESY)也参与了这项研究。

玻璃在许多方面都是一种吸引人的材料，然而，由于其脆性，往往会导致裂纹和断裂，其潜在应用受到限制。试图大大提高玻璃的韧性同时保持其有益特性的努力在很大程度上未能达到预期的效果。

《自然材料》中提出的新方法以氧化物玻璃为起点，这种玻璃具有一种相对无序的内部结构，是工业上最常用的玻璃材料。来自德国和中国的研究小组成功地赋予了含有硅、铝、硼和氧的铝硅酸盐一种新的结构。他们在拜罗伊特大学的巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所(BGI)使用了高压和高温技术。

在10至15千兆帕斯卡的压力和约1000摄氏度的温度下，硅、铝、硼和氧原子聚集形成了类晶结构。这些结构被称为“类晶体”，因为它们与完全不规则的结构明显不同，但又不像晶体那样具有清晰的规则结构。

通过光谱技术的实证分析以及理论计算，证明了铝硅酸盐玻璃中的类晶结构处于晶体结构和无定形不规则之间的中间状态。

铝硅酸盐玻璃中的类晶结构在压力和温度降至常态后仍然存在。由于这些结构渗透到玻璃中，玻璃的韧性比类晶化之前大了许多倍。它现在的韧性值可以达到1.99±0.06兆帕(m)¹/²，这是氧化物玻璃以前未曾测量到的韧性。与此同时，类晶结构对玻璃的透明度几乎没有影响。

玻璃的异常强度可以解释为，从外部作用于玻璃的力量，通常会导致破裂或内部裂纹，现在主要作用于类晶结构。

它们溶解了这些结构的一部分，并将其恢复为无定形的随机状态。因此，整个玻璃具有更大的内部可塑性，使其在受到这些或更强的力量作用时更不容易破裂或开裂。

我们的发现突显了一种开发高度耐损玻璃材料的有效策略，我们计划在未来几年继续进行研究。
——研究第一作者，拜罗伊特大学Hu Tang博士

“由于类晶化带来的韧性增加，表明原子层面的结构变化对氧化物玻璃的性能有重要影响。在这个层面上，优化玻璃作为一种材料的潜力远未被发掘完，”巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所的Tomoo Katsura教授总结道。

本文译自 Developing Oxide Glass With Unprecedented Toughness，由 BALI 编辑发布。