Forudsigelse af egenskaberne af en ny klasse af briller

ZIF briller, en ny glasfamilie, kunne kombinere gennemsigtigheden af ​​silikatglas med den ikke-skøre kvalitet af metallisk glas, ifølge forskere ved Penn State og Cambridge University i U.K.

"Vi er sikre på gennemsigtigheden, " sagde John Mauro, professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State. "Vi bliver nødt til at vente, indtil der kan laves større prøver for at vide, om det har den fantastiske duktilitet af metallisk glas, men det ser lovende ud."

Den nyeste klasse af glasdannende materialer, zeolitiske imidazolatrammer (ZIF), har en struktur, hvor metalioner er forbundet med organiske ligander. Ved opvarmning inden for et begrænset område af høje temperaturer, nogle ZIF-materialer vil smelte og omdannes til en glasagtig struktur, hvor atomerne har en uordnet struktur. Ud over potentialet i et gennemsigtigt og langt mere bøjeligt glas, nogle ZIF'er indeholder et stort antal funktionelle porer, der kan bruges til gaslagring - metal-organiske rammer er blevet foreslået som bure til brintlagring til brændselscellekøretøjer, katalyse, gasseparation eller endda medicinafgivelse.

"ZIF'er er så nye, at folk bare opdager, hvilke kemier der danner briller, " sagde Mauro. "Målet med vores gruppe er at fremskynde designet af disse nye briller gennem modellering."

I to nylige tidsskriftsartikler, Mauro og kolleger brugte forskellige modelleringsmetoder til at uddybe forståelsen og forudsige egenskaberne af ZIF-briller. Den første modelleringsmetode, ReaxFF, blev udviklet af Adri van Duin, professor i maskinteknik ved Penn State, som er medforfatter til begge artikler. ReaxFF er en beregningsmæssigt hurtig og økonomisk metode til simulering af smeltning og reformering af kandidatmaterialer.

"Det er svært at simulere disse systemer, fordi modellerne normalt er udviklet til enten organiske systemer eller uorganiske systemer, men ikke begge, " sagde Yongjian Yang, Mauros postdoktor og hovedforfatter på begge artikler. "Plus, i modsætning til ReaxFF, andre modeller tillader ikke den bindingsbrud og reformation, der finder sted ved glasdannelse."

Yang tilføjede, at brugen af ​​ReaxFF reducerer den tid, der kræves til at udføre simuleringer, til et par timer i stedet for de flere dage, det ville have taget ved brug af kvantemekaniske metoder.

I den seneste avis, offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters , forskerne brugte en anden modelleringsmetode, der oprindeligt blev udviklet til en anden klasse af briller, kaldet chalcogenid-briller.

"James Phillips foreslog, at vi kan tænke på briller på samme måde som en civilingeniør ville tænke på at designe en truss-konstruktion som i en bro eller Eiffeltårnet, " sagde Mauro.

Phillips, som var på Bell Labs på det tidspunkt og nu er på Rutgers University, foreslået en metode til at optimere glas baseret på atomernes frihedsgrader sammenlignet med antallet af stive bindinger til andre atomer. Når bindingerne er lig med frihedsgraderne – evnen til at bevæge sig opad, nedad eller sidelæns - systemet er normalt i den optimale tilstand til at danne et stabilt glas.

Mauro, som var hos Corning Incorporated, og Prabhat Gupta, af Ohio State, udvidede teorien til at udvikle det, der kaldes Temperature Dependent Constraint Theory, som er årsag til bindingsbrud ved høj temperatur, og udvidede også teorien til at lave kvantitative forudsigelser af glasegenskaber.

"Fordi vores teori er baseret på tælling af bindinger og atomer, det er noget, der kan løses med blyant og papir, " sagde Mauro. "Vi kan lave nøjagtige forudsigelser af egenskaber som glashårdhed, elasticitetsmodul, viskositet og glasovergangstemperaturen."

Selvom deres teori, formuleret i 2008, er blevet anvendt med succes på mange oxidglassystemer og brugt i formuleringen af ​​industrielle glassammensætninger, dette papir er første gang, det er blevet anvendt på ZIF's metal-organiske glassystem.

Thomas Bennett ved Cambridge University leder den eksperimentelle del af arbejdet, herunder syntese af ZIF-prøver, som i øjeblikket kun er millimeter store.

"Der er mange udfordringer, der stadig skal løses, " sagde Mauro. "Vi håber at bruge disse modelleringsmetoder til at forudsige briller, vi kan bruge til at rampe op til industriel skala og derefter kommercialisere. Ville det ikke være fantastisk at have et glas, der er både optisk gennemsigtigt og mekanisk duktilt?"