Gennem det tynde filmglas, forskere får øje på en ny flydende fase

Forskning offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences beskriver en ny type væske i tynde film, som danner et glas med høj densitet. Resultater genereret i denne undersøgelse, udført af forskere i Penn's Department of Chemistry, demonstrere, hvordan disse briller og andre lignende materialer kan fremstilles til at være tættere og mere stabile, giver en ramme for udvikling af nye applikationer og enheder gennem bedre design.

Glas dannes typisk ved størkning, eller falder ud af ligevægt, af en væske, når den afkøles til en temperatur, hvor dens bevægelse standser. Strukturen af ​​et glas ligner meget den flydende fase, men dens egenskaber ligner faste stoffer, ligner en krystal.

Briller, der er lavet til ultratynde, film i nanometer-skala bruges i vid udstrækning i applikationer såsom OLED-displays og optiske fibre. Men når disse typer glas er lavet til tynde film, selv ved kolde temperaturer opfører de sig mere som en væske, og det resulterende materiale kan være tilbøjeligt til dannelse af dråber eller krystallisation, hvilket begrænser størrelsen af ​​de mindste funktioner, der er mulige.

For at lave bedre glas, forskere har brugt dampaflejring i stedet for at afkøle en væske til at producere et glas. Ved dampaflejring, et materiale ændres direkte fra en gas til et fast stof. Selvom denne metode har gjort det muligt for forskere at oprette tættere typer bulkglas, man troede oprindeligt, at tynde glasfilm fremstillet ved hjælp af denne metode stadig ville have de samme væskelignende egenskaber, som ville føre til nedbrydning og ustabilitet.

Men Yi Jin, en nylig ph.d. kandidat, der arbejdede i laboratoriet i Zahra Fakhraai, kørte forsøg og fandt ud af, at dette faktisk ikke var tilfældet. "Yi blev ved med at opdage forskellige ejendomme, ingen af ​​dataene gav mening, og så gravede vi dybere, indtil vi havde nok data til at sammensætte et billede, "siger Fakhraai.

Jin brugte flere år på at udføre detaljerede eksperimenter, fra at skifte glassubstrat, ejendomme, og deponeringshastigheder for at sikre, at alt deres udstyr blev grundigt rengjort for at udelukke kontaminering eller eksperimentelle fejl.

Efter at have kørt alle nødvendige kontroleksperimenter, forskerne var overraskede over at opdage, at når man anvender dampaflejring, de kunne få adgang til en anden type væske, med en faseovergang til den typiske bulkvæske ved opvarmning. En faseovergang er, når et materiale skifter fra en tilstand (gas, væske, eller fast) i en anden. "De to væsker har forskellige strukturer, ligner grafen og diamant, der begge er faste stoffer fremstillet af kulstof, men findes i meget forskellige faste former. "

"Der er mange interessante ejendomme, der kom ud af ingenting, og ingen havde troet, at man i tynde film ville kunne se disse faser, "siger Fakhraai." Det er en ny type materiale. "

Ved hjælp af dampaflejring, forskerne kan lave meget tætte tyndfilmglas, svarende til pakningen af ​​denne nye væskefase, med en massefylde, der er meget højere end det var forudsagt at være muligt uden at påføre enorme mængder tryk. Tynde film af disse glas kan have densitetsværdier, der er endnu højere end krystal.

For at bekræfte, hvad de så, forskerne indhentede også detaljerede strukturelle oplysninger, der viser, hvordan individuelle molekyler pakkes ved hjælp af udstyr på Brookhaven National Laboratory. Denne analyse hjalp forskerne med at bekræfte, at det, de så, ikke kun var en krystal, men i stedet en helt ny fase i glasset.

En anden hypotese baseret på de data, de hidtil har indsamlet, er, at muligheden for at få adgang til denne unikke fase skyldes glassets geometri, hvilket betyder, at dette arbejde også kan have konsekvenser for andre typer materialer. "Vi udvikler materialer, der forsøger at gå ned i omfang, "siger Jin om sit nuværende arbejde i den materialevidenskabelige industri." Ud fra hvad vi ser i briller, der kan også være interessante fænomener, der kommer fra andre materialer, som metalliske materialer, der normalt bruges i halvledere, for eksempel."

Forskere i Fakhraais laboratorium arbejder allerede på opfølgningsforsøg for at lære mere om de afgørende parametre, der fører til denne unikke faseovergang. Dette inkluderer at studere film under deponeringsprocessen og "zoome ind" på faseovergangsregionen for at lære mere om dette nyopdagede fænomen. Dette arbejde er også afgørende for at få en bedre forståelse af briller som helhed, siger Fakhraai, hvor der stadig er en afbrydelse mellem teorier, der kunne give en forudsigelig platform til udvikling af nye materialer i applikationer og nye teknologier.

"For at pakke Moderna- eller Pfizer -vaccinerne, du har brug for et glas, der kan blive virkelig lavt i temperatur og ikke går i stykker, og det faktum, at den teknologi eksisterer, er et råb til, hvor godt vi kan konstruere bulkglasmekanik, "siger hun." Vores håb er, at denne grundlæggende forståelse motiverer flere applikationer og en bedre evne til at designe tynde filmglas med tilsvarende forbedrede egenskaber. Hvis struktur-ejendomsforholdene forstås i tynde film, vi kan gøre det bedre ved design. "