Blød støtte kan lave uventet stabilt glas

Briller er allestedsnærværende materialer, der findes i byggematerialer, drikkevarebeholdere, blød elektronik og mobiltelefonskærme. Skabelsen af ​​naturligt tæt og stift glas sker gennem en proces kendt som ældning. Det involverer en langsom transformation, der kan finde sted over årtusinder til hundreder af millioner af år og er præget af den gradvise fortætning og stivning af en væske, der er afkølet under dets smeltepunkt.

Men i 2007 fandt forskere ud af, at stabile glas også kan fremstilles ved at kondensere materialet fra dampfasen ved hjælp af en proces kaldet fysisk dampaflejring. Dampaflejring gør det muligt for molekyler, der lige er ankommet til overfladen, at pakke sig bedre, hvilket giver bedre ældede glas.

Nu har et team af forskere ledet af Zahra Fakhraai fra University of Pennsylvania's School of Arts &Sciences, i samarbejde med forskere ved Brookhaven National Laboratory, opdaget en metode til yderligere at fremskynde denne aldringsproces og omdefinere de grundlæggende principper, der har styret dannelse af stabilt glas. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials .

"Hvad vi opdagede, ret paradoksalt nok, er, at ved at bruge et blødt, mere fleksibelt substrat under vores dampaflejringsproces, kan vi lave mere stive og tættere glas end tidligere lavet," siger Fakhraai. "Disse resultater tilbyder en ny måde til præcist at konstruere glasfilm og baner vejen for at fremstille holdbare materialer meget hurtigere."

Opdagelsen kom uden videre, da Peng Luo, en postdoc-forsker i Fakhraai-gruppen, blev opfordret til at eksperimentere med bløde substrater til glasaflejring, primært som en kuriosum, "for at se, om blødere substrater ville forårsage skade på materialet," siger han. "Men det, vi så, var glas, der udviste egenskaber, som om det ældes i mange millioner år, langt over, hvad man kan se på metoder, der bruger traditionelle stive substrater."

Luo forklarer, at tidligere undersøgelser brugte aflejringshastighed og substrattemperatur til at kontrollere samlingen af ​​overflademolekylerne, efter at de lander på substratet, og at ved passende temperaturer, jo langsommere afsætningshastigheden er, jo mere tid vil de landede molekyler have til at justere sig selv. mod en mere stabil struktur, før de bliver begravet og "frosset" af de indkommende molekyler.

"Det er dybest set en 'selvsamling' af overflademolekylerne på en måde, der er bestemt af deres egen mobilitet ved en bestemt temperatur, og vi har ikke så meget kontrol over, hvor langsomt vi kan afsætte," siger han. "Vores konstatering af, at et blødt substrat kan gøre den aflejrede glasfilm tættere, indikerer, at substratelasticiteten kan påvirke samlingsprocessen af ​​overflademolekylerne, og derfor kan dette bruges som en ny dimension til at kontrollere strukturen og egenskaberne af glasfilm i et meget større udvalg, som ikke var tilgængeligt før."

Ved at anvende bløde substrater såsom polydimethylsiloxan, viste holdet, at det er muligt betydeligt at accelerere stabil glasdannelse ved at fremstille et materiale med en 2-2,5 % højere densitet end konventionelle væskekølede glas og så meget som 1 % større end nogen anden. rapporteret stabilt glas.

Luo tilføjer, at et andet bemærkelsesværdigt fund er, at det molekyle, de afsatte, kun er en nanometer i længden; under aflejring kan overfladeligevægtsprocesserne imidlertid blive påvirket af det bløde substrat over en betydelig afstand, målt til at være omkring 200 nanometer. Denne afstand er bemærkelsesværdig, fordi den langt overstiger, hvad der ville forventes baseret på nuværende glasteorier, hvilket udgør en udfordring for eksisterende forståelse.

"Denne effekt kan sammenlignes med at spille et spil telefon i et auditorium fyldt med 200 mennesker, men på en eller anden måde, ganske mystisk, kommunikeres budskabet perfekt uden afbrydelser," siger Fakhraai. "Det bløde substrats indflydelse over så stor en afstand antyder en form for langdistancekommunikation eller interaktion på overfladen, som ikke er fuldt ud forstået, og noget vi er interesserede i at udforske i fremtidig forskning."

Flere oplysninger: Peng Luo et al., stabile glas med høj densitet dannet på bløde underlag, naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01828-w

Leveret af University of Pennsylvania