Metal-organiske forbindelser producerer en ny klasse af glas

Lyn og vulkaner producerer begge glas, og mennesker har lavet glas af siliciumdioxid siden forhistorien. Industrialiseringen bragte os borbaserede glas, polymerglas og metalliske glas, men nu har et internationalt team af forskere udviklet en ny familie af glas baseret på metaller og organiske forbindelser, der stabler op til den originale silica i glasdannende evne.

Glasdannende evne er en væskes evne til at undgå krystallisering under afkøling.

"Glas er en væske frosset til et fastlignende materiale i ikke-krystallinsk form, "sagde John C. Mauro, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Mekanisk opfører den sig som et fast stof, men det er et sted mellem en væske og et fast stof."

Nøglen til at lave glas er at smelte kildematerialerne og derefter på en eller anden måde formår at afkøle dem, så der ikke dannes krystaller. En måde at gøre dette på er ved hurtig afkøling eller slukning. Dette forkorter den tid, der er til rådighed for krystaller til at dannes på grund af det hurtige temperaturfald.

Grundlæggende silicaglas har en tetraedral struktur med silicium i midten og fire iltatomer i hjørnerne. Et tetraeder er en trekantet pyramide. Hvert ilt binder sig til et andet siliciumcentreret tetraeder.

Det metal-organiske glas, forskerne producerede, erstatter zink med silicium, men bruger to lignende, men forskellige organiske forbindelser i hjørnerne - imidazolat og benzimidazolat. Disse organiske molekyler indtager tilfældigt stedet for oxygenatomerne i tetraederhjørnerne.

Silica glas havde den bedste glasdannende evne til alle glas, indtil forskerne syntetiserede zinkbaseret ZIF-62 metal-organisk glas, forskerne rapporterede i dag (9. mar.) online i Videnskab fremskridt . De bemærkede, at jo mere benzimidazolat der blev inkorporeret i metal/organiske rammer, jo bedre glasdannende evne. De mere viskøse væsker med de mest voluminøse ligander har en tendens til bedst at modstå krystallisering.

ZIF-62 har den bedste glasdannende evne til 50 eksisterende glas, og mens standard silicaglas er sprødt, metal-organisk glas er langt mere bøjeligt, hvilket også kan øge dets glasdannende evne.

Zinkbaseret organisk glas er vanskeligere at producere end silicaglas, fordi de organiske forbindelser imidazolat og benzimidazolat først skal syntetiseres, blandet med vandigt zinknitrat og et opløsningsmiddel. Blandingen smelter derefter ved cirka 800 grader Fahrenheit.

Temperaturen er vigtig, fordi blandingen skal smelte fuldstændigt, men ikke nå op på cirka 980 grader Fahrenheit, på hvilket tidspunkt det smeltede glas vil fordampe.

Forskerne kiggede på nogle materialegenskaber ved hjælp af en række spektroskopiske tilgange og røntgendiffraktion. De målte også det smeltede glass mekaniske egenskaber og optiske transmission. Nogle af disse tests blev udført hos Corning Inc., i Corning, New York.

"Denne brillefamilie er så ny, at, mens vi har bestemt dens glasdannende evne og et par andre egenskaber, vi har ikke fuldt ud karakteriseret alle dets materialegenskaber, "sagde Mauro." Der skal også forskes i, hvordan man skal skalere denne proces til fremstilling. "

Forskerne vil også gerne identificere andre metallisk-organiske kombinationer for at lave forskellige glas. De planlægger derefter at se på et koboltbaseret glas.