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为什么高性能玻璃流动如此之快

 

模拟铝硅酸钠玻璃(即Corning Gorilla玻璃)的原子结构。其中硅、铝、钠、氧原子分别以蓝色、青色、红色、黄色表示。

图片来源:Mengyi Wang/UCLA 

室温下,教堂窗户上的玻璃会往下流吗?好比是流动超慢的液体吗?不,这是神话。在某些窗户底部看到更大的体积,那是由于生产工艺造成的,而非重力原因。

但是更加复杂、高技术的玻璃,比如Corning Gorilla玻璃(用在十多亿智能手机及平板电脑屏幕上的防划抗损伤玻璃),在数年前就已被发现其在室温下具有变形敏感性。现在,加州大学洛杉矶分校(Univ. of California, Los Angeles (UCLA)Henry Samueli工程与应用科学学院研究人员发现了为什么会流动,且流动得如此之快。

研究人员采用分子动力学对不同玻璃进行模拟,结果表明高性能玻璃能够表现出与其尺寸成正比的长期变形。手机屏幕上的玻璃可能在其报废之前都没有流动,但巨大的电视屏幕自从其生产出来的第一个月就开始流动了,虽然很小但也可以察觉得到,一平方米的玻璃每年大约流动10微米。研究人员表示,虽然速度似乎很慢,但足以限制屏幕可以达到的尺寸了。

该研究由土木与环境工程助理教授Mathieu Bauchy领衔,相关结果发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

“我们发现这种长期的松弛是由于玻璃原子网格中不同尺寸的相互竞争的化学元素共存造成的,称为混合碱效应。”Bauchy如是说。

关键在于高性能玻璃形成过程中两种碱金属的使用,钠和钾。通常,玻璃当中添加有钠和钾,这可以降低玻璃成型所需的温度,从而降低能耗。然而研究人员发现,不同原子大小的离子结合会使玻璃具有敏感的长期变形。

“虽然混合碱效应的原因仍有争议,但强有力的证据表明碱金属原子与周围原子网格之间的尺寸不匹配时刺激松弛的驱动力。某种意义上说,任何对其位置空间不满意的碱金属离子都想跳到其他更合适的位置。”Bauchy如是说。

这种现象也被认为是“温度计效应”的来源。19世纪,大多数的温度计都是由含相同比例的钠和钾的玻璃制成的,由于玻璃的变形逐渐变得不那么准确。

他说:“下一步将优化玻璃组成,如果可能的话尽量消除这种效应,以便设计大尺寸且稳定的屏幕。”

新材料在线编译整理——翻译:菠菜     校正:摩天轮

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