شیشه اَبَرمستحکم ساخته شد/ صنعت تلفن هوشمند در آستانه تحول

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، از بسیاری جهات، شیشه یک ماده جذاب برای فناوری‌های مدرن است. با این حال، شکنندگی ذاتی اش که آن را مستعد ترک و شکستگی می‌کند، کاربرد‌های بالقوه آن را محدود می‌کند؛ اما تلاش‌های تحقیقاتی برای تقویت قابل توجه استحکام شیشه و عین حال حفظ خواص سودمند آن، ناکام مانده است.

رویکرد و فرایند نوآورانه

رویکرد جدید با شیشه‌های اکسیدی شروع می‌شود که ساختار داخلی نسبتاً نامنظمی داشته و بیشترین استفاده تجاری از مواد شیشه‌ای را دارند.

یک گروه پژوهشی متشکل از محققان آلمانی و چینی با استفاده از آلومینوسیلیکات که حاوی سیلیکون، آلومینیوم، بور و اکسیژن است، موفق شده اند ساختار جدیدی به شیشه بدهند. آن‌ها از فناوری‌های فشار بالا و دمای بالا در مؤسسه تحقیقاتی ژئوشیمی و ژئوفیزیک تجربی باواریا (BGI) دانشگاه بایروث استفاده کردند.

در فشار‌های بین ۱۰ تا ۱۵ گیگا پاسکال و دمای حدود هزار درجه سانتیگراد، اتم‌های سیلیکون، آلومینیوم، بور و اکسیژن در کنار هم قرار گرفتند تا ساختار‌های کریستال مانندی را تشکیل دهند. این ساختار‌ها «پاراکریستالی» نامیده می‌شوند؛ زیرا تفاوت‌های قابل توجهی با ساختار کاملاً نامنظم دارند و از سوی دیگر به ساختار منظم شفاف بلور‌ها نیز نزدیک نمی‌شوند.

هر دو تجزیه و تحلیل تجربی با استفاده از روش‌های طیف سنجی و محاسبات نظری به وضوح حالت میانی بین ساختار‌های بلوری و بی نظمی آمورف را نشان دادند.

مفهوم پاراکریستالیزاسیون

حتی پس از کاهش فشار و دما به شرایط محیطی معمولی، ساختار‌های پاراکریستالی در شیشه آلومینوسیلیکات باقی می‌مانند. ایجاد این ساختار‌ها در شیشه باعث می‌شود که استقامت و سختی شیشه چندین برابر بیشتر از قبل از پاراکریستالیزاسیون باشد. اکنون به مقدار ۰.۰۶ ± ۱.۹۹ MPa (m) ¹/² می‌رسد. این میزان سختی قبلاً برای شیشه‌های اکسیدی اندازه گیری نشده بود. در عین حال، شفافیت شیشه به طور جدی تحت تأثیر ساختار‌های پاراکریستالی قرار نگرفت.

دانش پژوهان، عامل استحکام فوق‌العاده شیشه را اینطور توضیح می‌دهند: نیرو‌هایی که از بیرون بر روی شیشه وارد شده و معمولاً منجر به شکستگی یا ترک‌های داخلی آن می‌شوند، اکنون عمدتاً به ساختار‌های پاراکریستالی وارد می‌شوند.

آن‌ها مناطقی از این ساختار‌ها را حل، و دوباره آن‌ها را به حالت بی شکل و تصادفی تبدیل کردند. به این ترتیب، شیشه به طور کلی انعطاف پذیری داخلی بیشتری پیدا می‌کند، به طوری که در صورت قرار گرفتن در معرض نیرو‌های حتی شدیدتر، نمی‌شکنند و حتی ترک نمی‌خورد.

چشم انداز آینده

«هو تانگ» (Hu Tang)، مجری این تحقیقات می‌گوید: کشف ما راهبرد موثری برای توسعه مواد شیشه‌ای بسیار مقاوم در برابر آسیب ارائه می‌کند که قصد داریم آن را در سال‌های آینده دنبال کنیم.

پروفسور «تومو کاتسورا» (Tomoo Katsura) از مؤسسه تحقیقاتی ژئوشیمی و ژئوفیزیک تجربی باواریا می‌افزاید: افزایش استحکام ناشی از پاراکریستالیزاسیون نشان می‌دهد تغییرات ساختاری در سطح اتمی می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر خواص شیشه‌های اکسیدی داشته باشد. در این سطح، پتانسیل زیادی برای بهینه‌سازی شیشه به‌عنوان ماده‌ای که هنوز کاربرد‌های بسیار زیادی دارد، دیده می‌شود.

نتایج این تحقیقات به تازگی در نشریه علمی Nature Materials منتشر شده است.