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    玻璃不僅要“向綠而行”也有望“返老還童”

    來(lái)源:豐采網(wǎng)??作者:豐采網(wǎng) ??2023-03-21 閱讀:604

      

    從高聳入云的摩天大樓,到小巧精致的計(jì)時(shí)腕表,玻璃的身影在生活中處處可見(jiàn)。

      全國(guó)兩會(huì)召開(kāi)前,全國(guó)人大代表、中國(guó)工程院院士、中國(guó)建材集團(tuán)總工程師、中建材玻璃新材料研究總院院長(zhǎng)彭壽接受記者采訪時(shí)說(shuō),要大力推動(dòng)

    玻璃工業(yè)節(jié)能降碳,讓中國(guó)的玻璃行業(yè)“向綠而行”。

      事實(shí)上,玻璃不僅要“向綠而行”,也有望“返老還童”——隨著服役時(shí)間增加,玻璃會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象,并通常伴隨著物理、力學(xué)等性能的劣化。

    如何使老化的玻璃態(tài)物質(zhì)“返老還童”,恢復(fù)性能,近年來(lái)得到科學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注。

      2022年底,中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蔣敏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究,揭示了嚴(yán)重老化的金屬玻璃的年輕化新機(jī)制,加深了對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的理解,相

    關(guān)研究成果發(fā)表在由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主管、主辦的多學(xué)科英文期刊《基礎(chǔ)研究》(Fundamental Research)。

      玻璃老化:從無(wú)序向有序緩慢轉(zhuǎn)變

      要讓玻璃“返老還童”,首先要理解玻璃是如何“變老”的。

      蔣敏強(qiáng)介紹,從微觀上看,玻璃是一種無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。他給記者舉了一個(gè)例子:在鋼鐵等晶態(tài)固體中,原子如同安靜地坐在教室里上課

    的學(xué)生,排列井然有序,呈現(xiàn)出規(guī)則形態(tài)。而在玻璃這一無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體中,原子就好比下課后的學(xué)生一樣,在校園里四處亂跑,排列上呈現(xiàn)

    出無(wú)序狀態(tài)。

      玻璃老化這一現(xiàn)象,從本質(zhì)上看便是玻璃從初始形成時(shí)的無(wú)序狀態(tài),向有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。“一般來(lái)說(shuō),無(wú)序狀態(tài)下物質(zhì)的總能量較高,而在有序狀

    態(tài)下,物質(zhì)的總能量較低。隨著時(shí)間的推進(jìn),玻璃會(huì)逐漸從高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變,這個(gè)過(guò)程一般被稱(chēng)為玻璃老化。”蔣敏強(qiáng)解釋?zhuān)绻匣瘯r(shí)

    間足夠長(zhǎng),或者通過(guò)升溫加速老化,玻璃甚至可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?guī)則結(jié)構(gòu)的固態(tài)晶體。

      玻璃老化會(huì)影響玻璃的韌性、光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性能等許多屬性,是人們想要極力延緩甚至避免的一種現(xiàn)象。因此,作為逆轉(zhuǎn)玻璃老化的過(guò)程,玻璃

    年輕化長(zhǎng)期以來(lái)受到科研人員的廣泛關(guān)注。

     “玻璃年輕化即玻璃老化的反過(guò)程,也就是讓老化后原子變得相對(duì)有序的玻璃慢慢重新回歸原子相對(duì)無(wú)序的狀態(tài)。”蔣敏強(qiáng)說(shuō)。在此前關(guān)于玻璃年

    輕化的研究中,研究人員發(fā)現(xiàn),年輕化的玻璃在被加熱到一定溫度時(shí)會(huì)釋放出一部分熱焓,且玻璃的年輕化程度越高,在加熱中釋放的熱焓就越多。熱焓

    是表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)重要狀態(tài)參量。通俗地說(shuō),熱焓是年輕化的玻璃在加熱過(guò)程中釋放出的能量。

      “我們的研究認(rèn)為,上述觀點(diǎn)并不適用于嚴(yán)重老化的玻璃。嚴(yán)重老化的玻璃隨著年輕化程度的提高,其熱焓的放出并無(wú)變化,甚至完全沒(méi)有熱焓放出。

    ”蔣敏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究表明,此前關(guān)于玻璃老化機(jī)制的觀點(diǎn)并不適用于嚴(yán)重老化的玻璃,更新了人們對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)年輕化機(jī)制的理解。

      “無(wú)心插柳”:研究結(jié)果出人意料

      “其實(shí)此次研究的突破,源于我們研究團(tuán)隊(duì)一次‘無(wú)心插柳’的嘗試。”蔣敏強(qiáng)說(shuō),此次實(shí)驗(yàn)的最初目的只是制備實(shí)驗(yàn)樣品。“我們團(tuán)隊(duì)原本是為了

    做另一個(gè)實(shí)驗(yàn)而制備樣品。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性,需要消除樣品的熱歷史,保證它們結(jié)構(gòu)一致。我們對(duì)玻璃樣品進(jìn)行低溫退火操作——將金屬玻璃緩慢

    加熱到一定溫度并保持足夠時(shí)間,然后以一定速度冷卻到室溫。”隨后,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)力學(xué)變形對(duì)這批處于嚴(yán)重老化狀態(tài)的玻璃進(jìn)行年輕化處理。結(jié)果出

    人意料——“我們明明通過(guò)力學(xué)做功向玻璃輸入了能量,為何這些玻璃沒(méi)有釋放出熱焓,變得年輕化呢?”這與此前的主流觀點(diǎn)可謂是背道而馳。

      這個(gè)結(jié)果讓研究團(tuán)隊(duì)陷入疑惑。為了解開(kāi)謎團(tuán),除了測(cè)量熱焓之外,研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了玻璃樣品的高溫(450K—750K)和低溫(1.9K—100K)比熱,

    進(jìn)而考察玻璃的原子振動(dòng)信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。“在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),盡管在一些情況下玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變前的熱焓釋放這一參數(shù)保持不變,但玻璃態(tài)

    轉(zhuǎn)變過(guò)程中的有效熱焓變化以及低溫比熱所體現(xiàn)出的原子振動(dòng)玻色峰這兩個(gè)物理量卻會(huì)隨之改變。”蔣敏強(qiáng)進(jìn)一步解釋?zhuān)斑@表明,熱焓釋放并非唯一反映

    玻璃年輕化的物理量。”

      談到熱焓釋放為何保持不變時(shí),蔣敏強(qiáng)再次用生動(dòng)的例子解釋?zhuān)骸叭绻覀儗⒁粋€(gè)小球放在‘凹’字形平面的凹處,這個(gè)小球自然會(huì)保持原地靜止。這

    種穩(wěn)定的狀態(tài)就好比嚴(yán)重老化的玻璃。而假如我們把這個(gè)‘凹’字形平面傾斜一些角度,雖然凹處的高度,也就是玻璃態(tài)物質(zhì)的能量水平幾乎保持不變,但

    小球所代表的玻璃狀態(tài)會(huì)變得不穩(wěn)定,進(jìn)而出現(xiàn)了玻璃年輕化現(xiàn)象。”

      研究結(jié)果表明,除了此前的主流觀點(diǎn)指出的,玻璃年輕化可以直接體現(xiàn)在熱焓的釋放,也就是能量水平的提高上,還可以體現(xiàn)為能量面的傾斜,也就是

    通過(guò)局域結(jié)構(gòu)重排使自由體積在空間內(nèi)重新分布。“這也就是我們發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重老化的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機(jī)制。”蔣敏強(qiáng)表示。

      拓展場(chǎng)景:提供廣闊應(yīng)用空間

      此次研究還發(fā)現(xiàn),隨著玻璃進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài),上述表征年輕化的三個(gè)物理參數(shù)都會(huì)各自趨于飽和值,從而首次在實(shí)驗(yàn)上確定玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的上限是

    “凍結(jié)”的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。

      如果用水來(lái)類(lèi)比,在高溫中形成液體的玻璃就好比水,而低溫固體化的玻璃則好比冰。“玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的極限,就是通過(guò)極速降溫使高溫玻璃液體突

    然凍結(jié),從而形成類(lèi)似‘凍住的流水’的物質(zhì)狀態(tài)。”蔣敏強(qiáng)解釋?zhuān)霸谶@種情況下,玻璃會(huì)在固態(tài)外表下,保持與液體狀態(tài)幾乎相同的物質(zhì)結(jié)構(gòu),其流動(dòng)

    性會(huì)達(dá)到目前認(rèn)識(shí)中的極限。”

      此次研究揭示的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機(jī)制,除了讓我們更好地從物理本質(zhì)上理解玻璃老化的相關(guān)成因、過(guò)程之外,在推動(dòng)老化玻璃批量返新方面,也有

    著巨大的潛在應(yīng)用空間。“研究團(tuán)隊(duì)目前正在與從事玻璃生產(chǎn)或研發(fā)的企業(yè)交流,力圖尋找推動(dòng)技術(shù)走向市場(chǎng)的良好結(jié)合點(diǎn)。”

      除此之外,蔣敏強(qiáng)還發(fā)現(xiàn),此次研究揭示的新機(jī)制也有望應(yīng)用在制備先進(jìn)金屬材料上。

      “通常來(lái)說(shuō),金屬材料的強(qiáng)度與韌性二者不可得兼。隨著強(qiáng)度的提升,韌性就會(huì)降低,反之亦然。”蔣敏強(qiáng)表示,“如何克服這一固有的倒置關(guān)系,是

    制備兼具強(qiáng)度與韌性的先進(jìn)金屬材料必須面對(duì)的問(wèn)題。”

      高強(qiáng)度的金屬材料,其微觀層面上的總能量水平一般是非常低的。如果通過(guò)加溫等方法輸入能量,嘗試通過(guò)提高總能量水平來(lái)提升金屬材料的韌性,往

    往需要極高的能量投入,而這幾乎不可能達(dá)成。

      “假如我們能利用此次研究發(fā)現(xiàn)的新機(jī)制,在總能量水平較低時(shí)調(diào)整金屬材料的能量面角度,就能在保持宏觀上強(qiáng)度不變的前提下,提升原子的無(wú)序性,

    從而增強(qiáng)金屬材料的韌性。通過(guò)這種方法,我們可以有效避免巨額的能量輸入,極大地降低高強(qiáng)韌金屬材料制備的成本。”蔣敏強(qiáng)表示,目前他的團(tuán)隊(duì)正在持

    續(xù)進(jìn)行嘗試,力爭(zhēng)取得決定性的突破,為解決長(zhǎng)期以來(lái)金屬材料強(qiáng)度與韌性之間不可調(diào)和的矛盾提供新思路。(記者 李詔宇 都 芃)

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