玻璃像晶体一样稳定

东京大学(University of Tokyo)的研究人员利用数值模拟来模拟玻璃结晶过程中的玻璃脱硝过程,这可能有助于提高玻璃材料的长期稳定性,比如药品和智能手机屏幕。
资料来源:东京大学工业科学研究所

同质性导致稳定性

东京工业科学大学的科学家们利用计算机模拟来研究非晶态玻璃材料转变为晶体的老化机制。他们发现,消除局部密度的微小不规则有助于防止引发有序结构形成的原子“雪崩”。这项工作可能会带来更稳定的玻璃材料,包括用于制药应用。

玻璃是非常不寻常的固体,因为它们缺乏有组织的晶体结构。事实上,它们更像是“冷冻液体”,因为原子可能会陷入非平衡状态。随着时间的推移,一些玻璃会经历一个老化过程或失玻璃化过程,在失玻璃化过程中,无定形结构会变成更规则的结构。在大多数情况下,玻璃化是不可取的,因为它会使以前透明的材料变得不透明。除了美学方面的考虑,缺乏稳定性会对玻璃窗格以及药品或光学介质造成损害。然而,引发老化或失玻璃化的物理机制仍不清楚。

由东京大学工业科学研究所领导的研究小组利用计算机模拟来研究玻璃化的过程。该团队没有采用热退火,而是采用了一种新的方法,从“常规玻璃”开始,逐步去除密度的不均匀性,直到形成“均匀玻璃”。这个新国家在反玻璃化方面表现出前所未有的稳定。首席作者Taiki Yanagishima博士说,“这种均匀的玻璃状态表明,玻璃状态的稳定性与其机械均匀性之间有着明显的联系。”

与其他形式的晶体生长一样,当一个叫做原子核的微小“种子”晶体吸收相邻原子以相同的模式排列时,玻璃化就开始了。但与液体不同的是,玻璃中的“种子”只有在被称为“雪崩”的原子大规模间歇性协调运动震动时才会生长。在之前的工作中,研究人员表明这些突然的事件对应于横跨整个样本的承重网络的不稳定,并假设它们是原子重新排列自己的唯一机制。使玻璃更均匀可以防止这种弛豫和玻璃化,即使有细胞核存在。资深作者田中教授说:“当雪崩被阻止时,通常会变成晶体的核反而冻结在玻璃状态。”这就导致了这样一种可能性:通过使样品中相邻的承重原子的数量更加均匀,可以形成超稳定的玻璃。这种“机械均质化”可能会为更强、更稳定的玻璃开辟道路。

这部作品发表于物理评论快报如“走向永久稳定的眼镜”(DOI:10.1103 / PhysRevLett.127.215501).

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期刊:物理评论快报
DOI:10.1103 / PhysRevLett.127.215501
文章标题:追求永久稳定的眼镜
文章发表日期:2021年11月16日

媒体接触

Hajime田中
东京大学工业科学研究所
tanaka@iis.u-tokyo.ac.jp
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