Forskere lægger grunden til en bedre forståelse af glasets optiske egenskaber

Glas er overalt. Uanset om nogen kigger ud af et vindue eller ruller gennem en smartphone, odds er, at der er et lag glas mellem dem, og uanset hvad det er, de kigger på.

På trods af at have været i mindst 5, 000 år, der er stadig meget, der er ukendt om dette materiale, såsom hvordan visse glas dannes, og hvordan de opnår bestemte egenskaber. Bedre forståelse af dette kan føre til innovationer inden for teknologi, såsom ridsefrie belægninger og glas med forskellige mekaniske egenskaber.

I løbet af de sidste par år har forskere ved University of Pennsylvania har set på egenskaber ved stabile briller, tæt pakkede former for glas, der fremstilles ved at deponere molekyler fra en dampfase på et koldt substrat.

”Der har været mange spørgsmål, "sagde Zahra Fakhraai, en lektor i kemi i Penn's School of Arts &Sciences, "om dette er analogt med den samme amorfe tilstand af naturligt ældede glas, såsom rav, som dannes ved blot at afkøle en væske og ældne den for mange, mange år."

For at besvare disse spørgsmål, Fahkraai og ph.d. studerende Tianyi Liu samarbejdede med kemiprofessor Patrick Walsh, der designede og syntetiserede et nyt specielt molekyle, der er perfekt rundt med en sfærisk form. Ifølge Fakhraai, disse unikke molekyler kan aldrig tilpasse sig et hvilket som helst substrat, når de aflejres. På grund af dette, forskerne forventede, at brillerne var amorfe og isotrope, hvilket betyder, at deres bestanddele om de er atomer, kolloider eller korn, er arrangeret på en måde, der ikke har noget overordnet mønster eller rækkefølge.

Overraskende nok, forskerne bemærkede, at disse stabile briller er dobbeltbrydende, hvilket betyder, at lysets brydningsindeks er forskelligt i parallelle og normale retninger til substratet, som ikke ville forventes i et rundt materiale. Deres resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Med dobbeltbrydning, lys, der skinner i en retning, vil bryde anderledes end lys, der skinner fra en anden retning. Denne effekt udnyttes ofte i flydende krystaldisplays:ændring af materialets orientering får lys til at interagere forskelligt med det, producere optiske effekter. I de fleste deponerede glas, dette er et resultat af molekyler, der flugter i en bestemt retning, da de kondenserer fra dampfasen til en dyb glasagtig tilstand.

Stallglasets dobbeltbrydningsmønstre var mærkelige, Fakhraai sagde, da forskerne ikke forventede nogen orientering af disse runde molekyler i materialet.

Efter at have slået sig sammen med fysikprofessor James Kikkawa og ph.d. studerende Annemarie Exarhos, der lavede fotoluminescensforsøg for at se på molekylernes orientering, og kemiprofessor Joseph Subotnick, der hjalp med simuleringerne med det formål at se på krystalstrukturen og beregne krystalbrydningsindekset, som gjorde det muligt for dem at beregne graden af ​​dobbeltbrydning eller orden i amorf tilstand, forskerne bekræftede deres anelse om, at der ikke var nogen orientering i materialet.

På trods af at måle nul rækkefølge i glasset, forskerne så stadig en mængde dobbeltbrydning analog med at have op til 30 procent af molekylerne perfekt ordnet. Gennem deres eksperimenter, de fandt ud af, at dette skyldes deponeringens lag-for-lag-natur, der tillader molekyler at pakke tættere i den retning, der er normal til overfladen under aflejringen. Jo tættere glasset, jo højere er værdien af ​​dobbeltbrydning. Denne proces kan styres ved at ændre substrattemperaturen, der styrer graden af ​​fortætning.

"Vi var i stand til at vise, at dette er en unik slags ordre, der kommer ud af processen, "Sagde Fakhraai." Dette er en ny slags emballage, der er meget unik, fordi du ikke har nogen retning, men du kan stadig manipulere de molekylære afstande i gennemsnit og stadig have en tilfældig, men dobbeltbrydende pakning samlet. Og så lærer dette os meget om processen med, hvordan du faktisk kan få adgang til disse faser i lavere tilstand, men giver også en måde at konstruere optiske egenskaber på uden nødvendigvis at fremkalde en orden eller struktur i materialet. "

Da stressorerne fordeles forskelligt ind og ud af flyet, disse briller kan have forskellige mekaniske egenskaber, som kan være nyttig i belægninger og teknologi. Det kan være muligt at manipulere et glas orientering eller dets lagdeling for at give det visse egenskaber, såsom anti-ridse belægninger.

"Vi forventer, at hvis vi skulle indrykke glasoverfladen med noget, "Sagde Fakhraai, "den ville have forskellig sejhed i forhold til at indrykke den på siden. Dette kan ændre dens brudmønstre eller hårdhed eller elastiske egenskaber. Jeg tror, ​​at forstå hvordan form, orientering og pakning kan påvirke mekanikken i disse belægninger er et af de steder, hvor interessante applikationer kan dukke op. "

Ifølge Fakhraai, en af ​​de mest spændende dele af denne forskning er det grundlæggende aspekt ved nu at kunne vise, at der kan være amorfe faser, der har høj densitet. Hun håber, at hun og andre forskere kan anvende deres forståelse fra at studere disse systemer på, hvad der ville ske i højt lagret glas.

"Dette fortæller os, at vi faktisk kan lave glas, der har emballager, der ville være relevante for meget godt lagret glas, "Fakhraai sagde." Dette åbner muligheden for bedre grundlæggende at forstå den proces, hvormed vi kan lave stabile briller. "