Ser tidligere uset glasskader på nano-niveau

For første gang, strukturelle ændringer under overfladen af ​​silicaglas på grund af nanoskala slid og skader er blevet afsløret via spektroskopi, hvilket kan føre til forbedringer af glasprodukter såsom elektroniske displays og køretøjets forruder, ifølge et team af internationale forskere.

"Et af de vigtigste forskningsområder i min gruppe er glasoverfladevidenskab, hovedsageligt forholdet mellem ejendom, glasets struktur, og mekaniske og kemiske egenskaber, især mekanisk holdbarhed og kemisk holdbarhed, "Seong Kim, Penn State fremtrædende professor i kemiteknik og medlederforfatter af undersøgelsen i Acta Materialia , sagde. "Og en af ​​de teknikker, vi har brugt, er vibrationsspektroskopi. Men udfordringen ved den nanoskala strukturelle analyse af en glasoverflade er, at mange af de spektroskopiteknikker, som folk bruger bredt, ikke fungerer her."

Infrarød spektroskopi kan kun opdage overfladefejl i en vis grad. Hvis den type defekt, der genereres på glasoverfladen, er mindre end 10 mikron, som er under 10-mikron bølgelængden af ​​infrarød spektroskopi, det kan ikke analyseres eller afbildes korrekt. Analyseteknikker som Raman -spektroskopi, der bruges i glasforskningssamfundet, fungerer bedre med hensyn til rumlig opløsning, men er stadig ikke tilstrækkelige til strukturanalyse i nanoskala.

Kims team ønskede at producere en teknik, der ville finde ud af, hvilken slags strukturændring der sker omkring fordybninger på nano-niveau i glasoverfladen. Som en del af undersøgelsen, de indrykkede glasoverfladen med en lille spids, der kan gøre nano -indrykninger et par hundrede nanometer dybe og en eller to mikron brede. Det er vigtigt at finde ud af, hvilke strukturelle ændringer der sker selv med små skader, fordi disse uendelige ufuldkommenheder kan påvirke glassets styrke.

Ifølge forskerne, et eksempel på dette er Gorilla Glass, fremstillet af Corning Inc. som displayglas til elektronik såsom mobiltelefoner, og mere for nylig til bil- og flyforruder. Dette glas er ekstremt stærkt, når det forlader planten, men når den når frem til producenter, glasset er svagere. Dette skyldes små ridser og andre skader under fysiske kontakter, der sker ved forsendelse af papirkontakt, vibrationer i en lastbil, siddende i emballage og regelmæssig skødning under losning. Defekterne er muligvis ikke synlige, men de er nok til at svække glasset.

Ud over, glas kan tære. Korrosionen er anderledes end metalkorrosion. Ved glaskorrosion, glasset mister nogle af dets bestanddele på glasoverfladen og glasets kemiske egenskaber ændres, som også kan svække glas.

"Så, hvordan karakteriseres sådanne usynlige strukturelle skader? "sagde Kim." Det er et meget vigtigt område for glasvidenskab, som teoretisk, glas skal være lige så stærkt som stål. Men glas er ikke så stærkt som stål, og en af ​​hovedårsagerne er overfladefejl. "

Da Kims team lavede deres ultra-lille fordybninger i glasset, de ville se, hvilken slags strukturændring der skete i og omkring indrykket på grund af skader på glasset.

"Så, fordi indrykningens maksimale størrelse kun var et par mikrometer, vi havde brug for en meget rumligt opløst infrarød spektroskopiteknik for at karakterisere dette, "Sagde Kim.

For at overvinde denne udfordring og "se" skader på glasset, Kim kontaktede en kollega, Slava V. Rotkin, Penn State Frontier Professor i ingeniørvidenskab og mekanik, der bruger en ny instrumenteringsteknik kendt som "hyperspektral optisk kortlægning i nærheden af ​​feltet". Denne teknik tilbyder både optisk spektral opløsning og høj rumlig opløsning og bruger et spredningsskannende nærfelt optisk mikroskop bygget af Neaspec GmpH, et tysk selskab til billeddannelse og spektroskopi af nanoskalaer.

"Indtil for nylig undersøgelser som Seongs var enten indirekte, fordi du ikke rigtigt kan billeddannelse af de små ting, der sker i nanoskalaen, eller de vil røre ved fysiske ting som atomer eller molekyler, men ikke de optiske egenskaber, "Sagde Rotkin." Så, vores instrument er virkelig unikt, fordi det giver dig mulighed for at lave optikundersøgelser i ekstremt små skalaer, hvilket aldrig var muligt før. "

Glas er for det meste siliciumoxid og det samme, i princippet, som sand eller den krystallinske kvarts i ure, med en stor forskel - niveauet af defekter til stede. Sand er som en sten med mange overfladefejl, krystallinsk kvarts er en perfekt krystal, og glas er noget imellem. Dette gør det svært at "se" glas i nanoskalaen, fordi der er så mange uensartetheder. Men den hyperspektrale nærfeltoptiske kortlægningsteknik gør det muligt for forskere at nulstille og se effekter på glasset fra ridser, selv ud over topografiske skader.

"Det er som at se en stor skov ovenfra, og der er mange, mange træer, buske, svampe, blomster og så videre, og du ved ikke rigtigt, hvad du skal se på, "Sagde Rotkin." Seongs elever lavede ridser i glasset. Og så ser du ridsen, det er interessant og skiller sig ud, som hvis du rydder en åbning i skoven ved at fjerne træer. Og når du rydder væk fra træerne, det kan skubbe en busk til jorden, og det ændrer på en eller anden måde bladernes farve på grund af nogle skader. Måske kan du ikke se det med det visningsinstrument, du bruger, men med vores instrument, det er som at kunne se den enkelte busk, og ikke kun det, se, at bladene er blevet røde. "

Dette er et vigtigt skridt for glasvidenskab, ifølge forskerne.

"Papiret, som vi udgav i princippet, baner den nye vej for at lære, hvordan disse uensartede glas opstår, og hvad er fysikken bag det, "Sagde Rotkin." Vi ser, at der er mekaniske ændringer, ridserne giver fysiske ændringer, kemiske ændringer og ændringer i de optiske egenskaber. Dette er ekstremt interessant. Det er virkelig en meget stor ting. "

Det er vigtigt at forstå dette, fordi præcision er vigtig for mange typer enheder. Et kamera på en Mars -rover kan måle spektrale egenskaber på Mars -overfladen, men en ridse på glasset kan ikke kun påvirke de optiske egenskaber, men også de mekaniske og kemiske egenskaber, der er vigtige for virkelig nøjagtige målinger. Eller, nano -ridser på glasset i et mobiltelefonkamera kunne ikke bare ændre gennemsigtigheden, men også kunne ændre farvekoder og resultere i fotos af lavere kvalitet, sagde holdet.

"Denne undersøgelse handler mere om at forstå, hvad der sker med glasset på måder, som vi aldrig har gjort før, og uden forståelse, en proces eller et produkt kan forbedres ved bare at prøve og fejl, "Sagde Kim." Men en bedre måde at gøre det på er den videnbaserede udvikling eller behandling. Så, hvis vi ikke kan forstå, hvilken form for fejl der opstår ved fysisk kontakt, hvordan kan vi gøre glasoverfladen bedre eller mere perfekt, mere holdbar, mekanisk og kemisk? "

Bevæbnet med disse oplysninger, Kim mener, at der er en stærk mulighed for nye fremskridt inden for glasvidenskab.

"Ved at forstå nano -overfladeskader over multikomponentglasmaterialer ved hjælp af teknikken som denne, vi kan øge vores grundlæggende forståelse af glasvidenskab betydeligt, "Sagde Kim.