پنجشنبه , 30 فروردین 1403 - 1:17 قبل از ظهر

اختراع شیشه ای با مقاومت بسیار بالا

پژوهشگران با استفاده از فرآیند پاراکریستالیزه‌سازی، یک شیشه اکسیدی با مقاومت بسیار بالاتری اختراع کرده‌اند که به طور مستقیم منجر به تولید محصولات شیشه‌ای با دوام و مقاوم در برابر آسیب در آینده می‌شود.ئدر این گزارش، دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از یک فرآیند به نام “پاراکریستالیزه‌سازی”، شیشه‌ای با خصوصیت مقاومت بسیار بالا را ایجاد کنند. شیشه اکسیدی معمولاً خاصیت شکست‌پذیری دارد، به این معنا که در برابر شوک‌ها و ضربه‌های خارجی به سرعت شکسته می‌شود. این موضوع محدودیت‌هایی را برای کاربردهای مختلف شیشه ایجاد می‌کند، به‌خصوص در فناوری‌های مدرن. تلاش‌های قبلی برای افزایش مقاومت شیشه و در عین حال حفظ خصوصیت‌های مثبت آن به نتایج مطلوب نرسیده‌اند.

اختراع شیشه ای با مقاومت بسیار بالا

دانشمندان موفق به تولید یک شیشه اکسیدی با مقاومت بی‌نظیر شده‌اند. آن‌ها با استفاده از فشارها و دماهای بالا، موفق به پاراکریستالیزه‌سازی یک شیشه آلومینوسیلیکات شده‌اند: ساختارهای شبیه به کریستال به شیشه امکان مقاومت در برابر تنش‌های بسیار بالا را می‌دهند و تحت شرایط محیطی حفظ می‌شوند. پاراکریستالیزه‌سازی به عنوان یک فرآیند پیش‌رو برای تولید شیشه‌های بسیار مقاوم در برابر شکست اثبات شده است.

اقدام نوآورانه و فرآیند

اقدام جدید ارائه‌شده در مجله علمی Nature Materials با استفاده از شیشه‌های اکسیدی شروع می‌شود که دارای ساختار داخلی نسبتاً نامرتب هستند و از پراکندگی بیشترین میزان استفاده تجاری را دارند. با استفاده از آلومینوسیلیکات که حاوی سیلیسیم، آلومینیوم، بورون و اکسیژن است به عنوان نمونه، تیم تحقیقاتی در آلمان و چین موفق شده‌اند به آن یک ساختار جدید بدهند. به این منظور، از فناوری‌های فشار بالا و دمای بالا در موسسه تحقیقات زمین‌شیمی و زمین‌فیزیک آزمایشی باوری بایرویت استفاده کرده‌اند.

ساختار شبیه‌سازی شیشه‌ای و پاراکریستالی

ساختار شبیه‌سازی‌شده شیشه‌ای (چپ) و پاراکریستالی (راست) گروه عناصر اکسیژن، سیلیسیم، آلومینیوم و کلسیم (از کوچک به بزرگ) در ساختار اطرافی را نمایش می‌دهد.

در فشارهایی بین 10 تا 15 گیگاپاسکال و در دمایی حدود 1000 درجه سلسیوس، اتم‌های سیلیسیم، آلومینیوم، بورون و اکسیژن با یکدیگر ترکیب شده و ساختارهایی شبیه به کریستالی را تشکیل دادند. این ساختارها به نام “پاراکریستالی” شناخته می‌شوند چرا که به طور قابل مشاهده‌ای از یک ساختار کاملاً نامنظم تفاوت دارند، اما به ساختار منظم و شفاف کریستال‌ها نزدیک نمی‌شوند. تجزیه و تحلیل تجربی با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی و محاسبات نظری به وضوح این حالت میانی میان ساختارهای کریستالی و نامنظم امور را نشان می‌دهد.

پیامدهای پاراکریستالیزه‌سازی

حتی پس از کاهش فشار و دما به شرایط محیطی عادی، ساختارهای پاراکریستالی در شیشه آلومینوسیلیکات باقی می‌مانند. نفوذ شیشه با این ساختارها منجر به افزایش مقاومت شیشه می‌شود که به طور چشم‌گیری بیشتر از قبل از پاراکریستالیزه‌سازی است. اکنون این مقدار به 1.99 ± 0.06 مگاپاسکال (m)¹/² می‌رسد که یک مقاومت جدید برای شیشه‌های اکسیدی است. در عین حال، شفافیت شیشه توسط ساختارهای پاراکریستالی به شدت تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.این کشف نشان می‌دهد که با ایجاد تغییرات در ساختار اتمی مواد، می‌توان خصوصیت‌های آن‌ها را بهبود بخشید و از موادی با مقاومت بیشتر بهره برد. این تحقیق نشان دهنده ظرفیت بزرگی در بهبود و بهینه‌سازی مواد شیشه‌ای برای استفاده در فناوری‌های مختلف است.

کریستال بوهمیا کجاست ؟ 

تقریبا این فرآیند چگونه است ؟

در این مطالعه جدید، یک روش نوآورانه با استفاده از شیشه‌های اکسیدی با ساختار داخلی نامنظم آغاز می‌شود. این نوع شیشه‌ها بیشتر به عنوان مواد شیشه‌ای تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مطالعه، از ماده آلومینوسیلیکات استفاده شده که حاوی عناصری نظیر سیلیسیم، آلومینیوم، بورون و اکسیژن هستند.

با استفاده از فشارها و دماهای بالا، دانشمندان توانستند اتم‌های مختلف در ماده آلومینوسیلیکات با یکدیگر ترکیب شده و ساختارهایی شبیه به کریستالی تشکیل دهند. این ساختارها به نام “پاراکریستالی” شناخته می‌شوند و تفاوت‌هایی با ساختار کریستالی و نامنظم دارند.

در نهایت، پس از کاهش فشار و دما به شرایط معمولی، ساختارهای پاراکریستالی در شیشه باقی می‌مانند و منجر به افزایش قابل توجهی در مقاومت شیشه می‌شود. به این ترتیب، شیشه تا مقداری به مقاومت معمولی بسیاری برای شکست پذیری در معرض نمی‌باشد.

از نظریه توضیح داده‌شده در مطالعه، افزایش مقاومت شیشه به دلیل این است که نیروهایی که به شیشه از خارج وارد می‌شوند و ممکن است به شکست یا ترک‌های داخلی منجر شوند، به طور اصلی به سمت ساختارهای پاراکریستالی هدایت می‌شوند. این ساختارها به طور جزئی مناطق این ساختارهای پاراکریستالی را حل کرده و به شکل تصادفی به حالت نامنظم باز می‌گردانند. این تغییرات در سطح اتمی موجب افزایش انعطاف‌پذیری داخلی شیشه می‌شود و به این ترتیب، شیشه در برابر نیروهای خارجی مقاوم‌تر می‌شود و به طور کلی از شکست یا ترک‌ها در برابر نیروهای قوی‌تر جلوگیری می‌کند.

هو تانگ

دکتر هو تانگ، نویسنده اصلی مطالعه، در مقابل یک دستگاه فشار بالا در موسسه تحقیقات زمین‌شیمی و زمین‌فیزیک آزمایشی

محققان تقویت فوق‌العاده شیشه را به این دلیل توضیح می‌دهند که نیروهایی که از خارج به شیشه عمل می‌کنند و به طور عمومی منجر به شکست یا ترک‌های داخلی می‌شوند، اکنون به طور اصلی به سمت ساختارهای پاراکریستالی هدایت می‌شوند. آن‌ها مناطق این ساختارها را حل کرده و آن‌ها را به حالت نامنظم و تصادفی باز می‌گردانند. به این ترتیب، شیشه به طور کلی انعطاف پذیری داخلی بیشتری اختصاص می‌یابد، به طوری که وقتی به این نیروها یا حتی به نیروهای قوی‌تری اعتراض می‌شود، شکست یا ترک نمی‌خورد.

چشم‌انداز آینده

“کشف ما برجسته‌ترین استراتژی را برای توسعه مواد شیشه‌ای با تحمل به آسیب بالا نشان می‌دهد، که قصد داریم تحقیقات خود را در سال‌های آینده پیگیری کنیم”، گفت دکتر هو تانگ، نویسنده اصلی مطالعه جدید.

“افزایش مقاومت به علت پاراکریستالیزه‌سازی نشان می‌دهد که تغییرات ساختاری در سطح اتمی می‌تواند تأثیر مهمی بر ویژگی‌های شیشه‌های اکسیدی داشته باشد. در این سطح، ظرفیت بزرگی برای بهینه‌سازی شیشه به عنوان ماده‌ای که از فرسودگی دور است، وجود دارد”، افزوده است دکتر تومو کاتسورا از موسسه تحقیقات زمین‌شیمی و زمین‌فیزیک آزمایشی باوری بایرویت.

منبع: “تقویت مواد شیشه‌ای اکسیدی از طریق پاراکریستالیزه‌سازی” نوشته هو تانگ، یونگ چنگ، شیائوهونگ یوآن، کای‌ژانگ، الکساندر کورنوسوف، ژن چن، ونگهه ونگ، هنریک جپسن، مارتین اتر، تائو لیانگ، ژیدان زنگ، فی وانگ، هانگژان فی، لین وانگ، سونگبای هان، مینگ‌شنگ وانگ، گوانگ چن، هاوارد شنگ و تومو کاتسورا، 7 اوت 2023، مواد طبیعی.

جمع بندی کلی

به طور کلی، این مطالعه در مورد توسعه یک نوع شیشه با مقاومت و دوام بسیار بالا است که با استفاده از یک فرآیند به نام “پاراکریستالیزه‌سازی” انجام شده است. این فرآیند به دانشمندان امکان می‌دهد تا ساختار اتمی شیشه را به گونه‌ای تغییر دهند که آن را قادر به تحمل ضربه‌ها و فشارهای شدید بیشتر کند.

شیشه اکسیدی، مانند شیشه‌های معمولی که در محصولات مختلف از جمله وسایل الکترونیکی استفاده می‌شوند، دارای خصوصیت شکست‌پذیری است. این به این معناست که در برابر ضربه‌ها و شوک‌های مکانیکی ضعیف عمل می‌کند و به راحتی ممکن است شکسته شود. این مشکل محدودیت‌هایی در کاربردهای مختلف شیشه‌ها ایجاد می‌کند.

در این تحقیق، دانشمندان با استفاده از یک فرآیند پیچیده به نام “پاراکریستالیزه‌سازی” توانسته‌اند ساختار اتمی شیشه را تغییر دهند. این فرآیند به آن‌ها امکان می‌دهد تا اتم‌های مختلف در ساختار شیشه به هم متصل شوند و ساختارهایی شبیه به کریستال تشکیل دهند. این ساختارها به نام “پاراکریستالی” شناخته می‌شوند و دارای ویژگی‌های میانی بین ساختار کریستالی و نامنظم هستند.

بعد از ایجاد این ساختارهای پاراکریستالی، شیشه توانسته است در برابر فشارها و ضربه‌های شدید تحمل بیشتری از قبل داشته باشد. این به این معناست که وقتی شیشه با این ساختارهای پاراکریستالی با شوک‌ها و ضربه‌های مکانیکی مواجه می‌شود، به طور معمولی شکسته نمی‌شود و تا حد زیادی دوام دارد.

از نظریه توضیح داده‌شده در تحقیق، افزایش مقاومت شیشه به دلیل این است که نیروهایی که از خارج به شیشه وارد می‌شوند، به سمت ساختارهای پاراکریستالی هدایت می‌شوند. این ساختارها به طور جزئی محل‌هایی از ساختارهای پاراکریستالی را حل می‌کنند و به شکل تصادفی به حالت نامنظم باز می‌گردانند. این تغییرات ساختاری منجر به افزایش انعطاف‌پذیری داخلی شیشه می‌شود و به این ترتیب، شیشه می‌تواند در برابر فشارها و ضربه‌های مکانیکی مقاوم‌تر عمل کند.

در نتیجه، این کشف نشان می‌دهد که با تغییراتی در ساختار اتمی مواد، می‌توان خصوصیت‌ها و عملکرد مواد را بهبود بخشید و موادی با مقاومت و دوام بیشتر تولید کرد. این تحقیق مسیر جدیدی را به منظور بهبود مواد شیشه‌ای با کاربردهای مختلف و مقاومت بالاتر ارائه می‌دهد.

مطلب پیشنهادی

قیمت دوربین کوچک متصل به موبایل (سری جدید)

بهترین دوربین مخفی برای منزل شرکت های سازنده دوربین مداربسته بعد از تولید دوربین سیم کارت …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *