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2018
03-30

研究揭示非凡的玻璃特性


技术上有价值的超稳定眼镜可以在几天或几小时内产生相应的那些已经老化数千年,计算和实验室研究已确认的属性。

老化使高质量的玻璃材料,因为他们已经慢慢演化为更稳定的分子状态。这种演变可能需要数千年或数百万年,但制造商必须更快地工作。芝加哥大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员对玻璃的老化和发展有了更好的了解,他们提出了通过气相沉积工艺在分子水平上设计一类新材料的可能性。芝加哥大学的Liew家庭分子理论和模拟教授,前大学麦迪逊分校化学教授Juan de Pablo说:“在试图用老年眼镜工作时,人们已经检查过琥珀。和生物工程。 “琥珀是一种已经陈化了数百万年的玻璃,但是你不能设计这种材料。你会得到你所得到的。“de Pablo和Wisconsin合着者Sadanand Singh和Mark Ediger最近(2013年1月6日)发表的”自然材料“杂志报道了他们的发现。

超稳定的眼镜可以在生产更强的金属和速效药物中找到潜在的应用。后者可能听起来令人吃惊,但具有超稳定玻璃的无定形分子结构的药物可以避免储存期间的结晶,并且比具有半结晶结构的药物更快地在血流中递送。同样地,非晶态金属比晶态金属更适合高冲击应用,因为它们具有更高的强度。

“自然材料”论文介绍了计算机模拟,Singh,UW-Madison的化学工程博士生,与de Pablo一起跟进了Ediger实验室的一些有趣的结果。像他之前几十年的研究人员一样,Ediger一直在真空室中通过气相沉积来生长材料。在这个过程中,当样品材料被加热时产生玻璃,然后汽化并最终凝结并在实验表面上生长。

几年前,他发现生长在一定温度范围内的玻璃表现出远高于普通玻璃的稳定性。以前的研究人员必须在相同的温度条件下培养材料,但没有认识到他们所做的工作的重要性,Ediger说。

威斯康星大学麦迪逊分校化学教授Ediger推测,在这种条件下种植眼镜,与俄罗斯方块电子游戏相比,这种分子能让分子有机会把自己安排到更稳定的状态。但是他需要辛格和巴勃罗的计算机模拟来证实他怀疑他实际上制造了一种高度发展的普通玻璃,而不是一种全新的材料。

“在计算机上制作这些材料很有兴趣,因为您可以直接访问该结构,因此您可以确定分子的排列方式和测量的物理属性之间的关系。芝加哥大学新分子工程研究所今年初。

但是,模拟计算机上眼镜的演变还是有挑战的。科学家可以在实验室中以每秒一度的速度冷却玻璃质材料,但最慢的计算研究只能以每秒1亿度的速度模拟冷却。德巴勃罗说:“我们不能放慢速度,因为计算将会持续下去。”

“迄今为止,人们认为玻璃的机械性能与分子结构之间没有相关性,不知何故,某种玻璃的特性“隐藏”在某个地方,而且没有明显的结构特征,“德巴勃罗说。

“我们在这里发现的是,实际上有差异,只不过是你必须创造更好的玻璃材料。一旦你创建这些材料,你会发现这个结构, 普通玻璃和稳定玻璃之间的区别显然是存在的,而且实际上是明显的。“

超稳定的眼镜以类似于俄罗斯方块中最有效率的多形物体的方式实现其稳定性,每一种都包含四种方形,屏幕顶部。 “Ediger说:”这有点像我的沉积设备中的分子,正在滴落在这个表面上,目标是完美地包装一个电影,而不是留下任何空隙。“Ediger说。

俄罗斯方块的对象是操纵的部分,使他们在屏幕底部完美的紧张模式。 “不同的是,当你玩游戏的时候,你必须积极地操纵这些棋子才能打造出一个包装完好的实体。”Ediger说。 “在气相沉积中,大自然为我们做了包装。”

但是在俄罗斯方块和实验中,当物体或分子过快下降时,结果是一个填充不良,空洞的模式。 “Ediger说:”在实验中,如果你要么太快地降下分子,要么选择在表面没有流动性的低温,那么这个技巧就行不通。 “这就像拿了一桶奇形怪状的东西,把它们倒在地上。会有各种各样的空白和缺口,因为这些作品没有任何机会找到一个好的包装方式。“

这项新的研究是由美国国家科学基金会资助的。

来源:威斯康星大学麦迪逊分校