Stabilitet af ringe af atomer i glasmaterialer kan hjælpe med at forudsige ydeevne af glasprodukter

Glas bliver brugt i en bredere række af højtydende applikationer, herunder dem til forbrugere og industri, militær- og rumfartselektronik, belægninger og optik. På grund af den ekstreme præcision, der kræves til brug i produkter som mobiltelefoner og jetfly, må glassubstrater ikke ændre deres form under fremstillingsprocessen.

Corning Incorporated, en producent af innovative glas, keramik og relaterede materialer, investerer en enorm mængde ressourcer i at studere stabiliteten af ​​forskellige typer glas. For nylig fandt Corning-forskere ud af, at forståelse af stabiliteten af ​​atomringene i glasmaterialer kan hjælpe dem med at forudsige ydeevnen af ​​glasprodukter. Denne evne er vigtig, fordi det mest udbredte glas er silikatglas, som består af forskellige størrelser af atomringe forbundet i tre dimensioner.

Ved at udføre neutronspredningsforsøg ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, opdagede ORNL og Corning-forskere, at når antallet af mindre, mindre stabile atomringe i et glas stiger, øges glassets ustabilitet eller væskeskørhed også.

Resultaterne af neutronforsøgene, offentliggjort i Nature Communications , afslører en klar sammenhæng mellem den mellemlange atomare ringstruktur af et silikatglas og dets væskeskørhed. Viskositeten af ​​det flydende glas ændrer sig betydeligt, når det afkøles til glasovergangstemperaturen. En mere skrøbelig væske vil have en større viskositetsændring med en given temperaturændring.

"Tidligere havde mekanismen, der driver glasovergange, undgået videnskabsmænd," sagde Ying Shi, den tilsvarende forfatter til undersøgelsens papir og forskningsmedarbejder ved Corning. "Der var ingen klar forståelse af, hvorfor nogle glastyper størknede hurtigere eller langsommere."

Shi og hendes samarbejdspartnere fra Corning, University of California, Los Angeles og University of Oxford arbejdede sammen med NOMAD neutrondiffraktometer-strålelinjeforskere ved ORNL's Spallation Neutron Source for at studere aluminiumsilikatglas, som almindeligvis bruges af industrien.

Ved hjælp af et nyligt udviklet og valideret neutronspredningsdataanalyseværktøj, RingFSDP, identificerede holdet nøglemønstre i de indsamlede data, der afslørede forholdet mellem væskens skrøbelighed i glasset og dets atomringstabilitet.

RingFSDP er et gratis open source-program udviklet af Corning og ORNL-forskere til at studere de atomare ringstrukturer af silikatglas. Den udleder ringstørrelsesfordelinger i silikatglas fra formen af ​​den første skarpe diffraktionstop i neutrondiffraktionsdataene.

"At forbinde glasovergangstemperaturområdet til de underliggende strukturelle træk ved et glas vil have en betydelig indvirkning på glasdesign og -produktion," sagde Douglas Allan, papirets medforfatter og forskningsstipendiat ved Corning. "Vores arbejde viser en klar sammenhæng mellem den atomare ringstruktur af et glas og dets glasovergangstemperaturområde og derfor glassets ydeevne."

Flere oplysninger: Ying Shi et al, Afsløring af forholdet mellem væskeskrøbelighed og mellemrækkende orden i silikatglas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-022-35711-6

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Oak Ridge National Laboratory