Gennembrud mod løsning af glasets strukturelle mysterium

Glas er et af de mest almindelige materialer, vi bruger hver dag, men den detaljerede struktur af dette ikke-metalliske og ikke-flydende materiale har altid været et stort mysterium inden for videnskaben. Et forskerhold, der ledes af forskere ved City University of Hong Kong (CityU), har med succes opdaget, at det amorfe og krystallinske metalliske glas har de samme strukturelle byggesten. Og det er forbindelsen mellem disse blokke, der adskiller materialets krystallinske og amorfe tilstande. Resultaterne belyser forståelsen af ​​glasstruktur.

Glas er et ikke-krystallinsk amorft fast stof, der har udbredt praktisk og teknologisk anvendelse i dagligdagen. Udover sodavandglas, der bruges i vinduer, der er mange andre typer briller som metalglas. Glasfasemateriale er mystisk og specielt:på ydersiden, materialet opfører sig som et fast stof, men indeni, det fremstår lige så uordenligt som en væske. Så dens struktur har længe været fokus for videnskabelig forskning.

Et forskerhold ledet af professor Wang Xunli, Lektor i fysik og leder af Institut for Fysik på CityU, har opdaget en strukturforbindelse mellem et glasfast stof og dets krystallinske modstykke, hvilket er et gennembrud i forståelsen af ​​den detaljerede struktur af amorft materiale. Værket blev offentliggjort i Naturmaterialer , med titlen "Et mellemlangt strukturmotiv, der forbinder amorf og krystallinsk tilstand."

"Glasstrukturen har været en stor videnskabelig udfordring, "sagde professor Wang.

I modsætning til et krystallinsk fast stof bestående af periodisk stabling (rækkefølge af rækkevidde) af grundlæggende byggesten kaldet enhedsceller, et glasmateriale har ingen rækkefølge på lang afstand. Men et glasmateriale har bestilt strukturer på kort afstand (2 ^-5 Å) og mellemlangt (5 ^-20 EN), og endnu længere længdevægte. Imidlertid, på grund af den manglende kontrast som følge af materialets amorfe natur, det var svært for forskere at eksperimentelt bestemme arten af ​​mellemlang rækkefølge. Som resultat, det forblev et videnskabeligt mysterium, om der eksisterer nogen strukturel forbindelse på mellemlang eller mellemlang skala mellem det amorfe materiale og dets krystallinske modstykker. Yderligere sammensatte problemet er, at et amorft materiale ofte krystalliserer til en fase med forskellig sammensætning, med meget forskellige underliggende strukturelle byggesten.

For at overvinde denne udfordring, holdet indfangede en mellemliggende krystallinsk fase ved præcis styring af opvarmningen af ​​et metallisk glas (en palladium-nikkel-fosfor (Pd-Ni-P) legering) ved en høj temperatur.

Teamet anvendte efterfølgende forskellige avancerede strukturanalyse teknikker, herunder højopløsnings transmissionselektronmikroskopi, høj præcision synkrotron røntgendiffraktion og automatiseret computerbilledanalyse. Ved at sammenligne metalglasets (legeringens) strukturer i dets amorfe og mellemliggende krystallinske tilstande, teamet opdagede, at begge former for legeringerne deler den samme byggesten, som er en seks-leddet tricapped trigonal prisme-klynge (6M-TTP) bestående af atomer af palladium, nikkel, og fosfor. Holdet konkluderede også, at det var forbindelsen mellem klyngerne, der adskiller de krystallinske og amorfe tilstande.

"Vores eksperimentelle undersøgelse viser, at strukturelle byggesten, der forbinder de amorfe og krystallinske tilstande, såsom den trigonale prisme-klynge til Pd-Ni-P metallisk glas, kunne meget vel strække sig til mellemlange skalaer, i størrelsesordenen titalls angstrom (Å), hvilket kunne være et universelt træk for amorfe materialer. Dette fund tyder stærkt på, at glassets struktur adskiller sig fra dets krystallinske modstykke hovedsageligt i forbindelsen mellem de strukturelle byggesten, "sagde professor Wang.

Forskerne mente, at forståelse af det amorfe materiales molekylære struktur var afgørende for design af nye materialer, fordi strukturen bestemte egenskaberne. "Vores eksperimentelle undersøgelse belyste strukturen af ​​amorfe materialer i længere skalaer. Dette vil gå langt for at hjælpe vores bestræbelser på at finde ud af glasstrukturen, "Tilføjede professor Wang.