Физики получили пластичное стекло
Ученые создали тонкие пленки из стеклообразного оксида алюминия, которые можно растягивать, сжимать и изгибать без появления трещин при комнатной температуре. Эти свойства позволяют создавать нехрупкие неорганические стекла, но технологии производства крупномасштабных изделий из этого материала пока не существует, пишут авторы в журнале Science.
Стекло — это аморфное твердое тело, то есть не обладающее кристаллической структурой. Множество веществ может формировать материалы с такой структурой, но наиболее распространенным вариантом являются стекла на основе оксида кремния. Такие стекла характеризуются прозрачностью и твердостью, но также хрупкостью, то есть неспособностью деформироваться без появления трещин.
Свойства стекла, в особенности его термическая и химическая стойкость, обеспечили ему большое количество применений. Однако во многих случаях хрупкость становится проблемой: например, из-за нее трескаются экраны смартфонов. Исследователи постоянно пытаются улучшить показатели стекол, но пока что они далеки от предсказываемых теорией.
Причина заключается в микроскопическом строении стекла — оно выглядит как неупорядоченное распределение атомов кремния и кислорода с небольшими пустотами, играющими роль дефектов. Если механическая энергия при оказании воздействия не расходуется на обратимую эластичную или необратимую пластическую деформацию, то она будет накапливаться около дефектов. В обычном стекле атомы не могут смещаться, разрывая старые и образуя новые связи с другими, на что расходуется энергия, поэтому в результате возникает трещина и стекло раскалывается.
Ученые под руководством Эркки Фракенберга (Erkka Frankberg) из Университета Тампере в Финляндии исследовали тонкие стеклянные пленки, состоящие из оксида алюминия Al2O3. Оказалось, что такой материал способен пластично растягиваться и сжиматься без образования трещин, если в нем изначально отсутствовали дефекты. Исследователи сравнивают поведение полученного вещества с металлами, на которые обычное стекло не похоже.
Авторы получали новое стекло посредством импульсного лазерного напыления, то есть испарения исходного кристаллического вещества с последующим осаждением на подложке. В результате получались пленки толщиной в 60 нанометров и около двух микрон в длину, которые оказались прозрачными подобно обычному стеклу, но намного менее хрупкими. В частности, их можно было растягивать на 8 процентов, сжимать в два раза и изгибать. Эти изменения были пластическими, то есть материал не принимал исходную форму после снятия внешнего воздействия.
Результаты симуляций (голубые) и экспериментов (оранжевые) по растяжению стеклообразного оксида алюминия. График показывает зависимость растягивающего натяжения от относительного удлинения. Врезы показывают состояние образца до (слева) и после (справа) опыта. Отмечено значимое увеличение длины, сохранившееся и после разрыва.
E. Frankberg et al. / Science, 2019
Для прояснения причины таких свойств ученые исследовали полученные образцы при помощи электронного микроскопа. Созданная на основе полученных данных компьютерная модель показала, что в первую очередь за это была ответственна бездефектная структура с плотной упаковкой атомов. Также в таком стекле атомы могли смещаться при внешнем воздействии.
Ученые отмечают, что результаты демонстрируют возможность использования пластичных стеклянных пленок из оксида алюминия уже сегодня. Например, подобные изделия могут пригодиться в производстве аккумуляторов и электроники. Потенциально могут быть и другие применения, но для этого необходимо научиться создавать крупные изделия с нужными свойствами, а такого способа авторы пока предложить не могут.
Ранее ученым удалось сделать стекло еще более прозрачным при помощи нанотекстур, превратить падающие стеклянные частицы во всесторонний экран и создать нейросеть из стекла на основе рассеяния света.
Добавьте свой комментарий