ZIF bril, een nieuwe familie van glas, kon de transparantie van silicaatglas combineren met de onbreekbare kwaliteit van metaalglas, volgens onderzoekers van Penn State en Cambridge University in het V.K.

"We zijn zeker van de transparantie, " zei John Mauro, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Penn State. "We zullen moeten wachten tot grotere monsters kunnen worden gemaakt om te weten of het de verbazingwekkende taaiheid van metallisch glas heeft, maar het ziet er veelbelovend uit."

De nieuwste klasse glasvormende materialen, zeolietimidazolaatraamwerken (ZIF), heeft een structuur waarin metaalionen zijn verbonden door organische liganden. Bij verhitting binnen een beperkt bereik van hoge temperaturen, sommige ZIF-materialen zullen smelten en hervormen tot een glasachtige structuur waarin de atomen een ongeordende structuur hebben. Naast het potentieel van een transparant en veel buigzamer glas, sommige ZIF's bevatten grote aantallen functionele poriën die kunnen worden gebruikt voor gasopslag - er zijn metaal-organische raamwerken voorgesteld als kooien voor waterstofopslag voor brandstofcelvoertuigen, katalyse, gasscheiding of zelfs medicijnafgifte.

"ZIF's zijn zo nieuw dat mensen net ontdekken welke chemicaliën glazen vormen, "Zei Mauro. "Het doel van onze groep is om het ontwerp van deze nieuwe bril te versnellen door middel van modellering."

In twee recente tijdschriftartikelen Mauro en collega's gebruikten verschillende modelleringsmethoden om het begrip te verdiepen en de eigenschappen van ZIF-brillen te voorspellen. De eerste modelleringsmethode ReaxFF, is ontwikkeld door Adri van Duin, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Penn State, die co-auteur is van beide artikelen. ReaxFF is een rekenkundig snelle en economische methode voor het simuleren van het smelten en hervormen van kandidaatmaterialen.

"Het is moeilijk om deze systemen te simuleren omdat de modellen meestal zijn ontwikkeld voor organische systemen of anorganische systemen, maar niet allebei, " zei Yongjian Yang, Mauro's postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van beide artikelen. "Plus, in tegenstelling tot ReaxFF, andere modellen houden geen rekening met het verbreken en opnieuw vormen van verbindingen die plaatsvinden bij het vormen van glas."

Yang voegde eraan toe dat het gebruik van ReaxFF de tijd die nodig is om simulaties uit te voeren, verkort tot een paar uur in plaats van de dagen die het zou hebben gekost met behulp van kwantummechanica-methoden.

In de meest recente krant, gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters , de onderzoekers gebruikten een andere modelleringsmethode die oorspronkelijk was ontwikkeld voor een andere klasse glazen, de chalcogenide-bril.

"James Phillips stelde voor dat we over een bril kunnen denken op dezelfde manier als een civiel ingenieur zou denken over het ontwerpen van een truss-structuur zoals in een brug of de Eiffeltoren, ' zei Mauro.

Philips, die destijds bij Bell Labs zat en nu aan de Rutgers University, stelde een methode voor om glas te optimaliseren op basis van de vrijheidsgraden van de atomen in vergelijking met het aantal starre bindingen met andere atomen. Wanneer de bindingen gelijk zijn aan de vrijheidsgraden - het vermogen om omhoog te gaan, naar beneden of opzij - het systeem is meestal in de optimale staat om een ​​stabiel glas te vormen.

Mauro, die bij Corning Incorporated was, en Prabhat Gupta, van de staat Ohio, breidde de theorie uit om de zogenaamde temperatuurafhankelijke beperkingstheorie te ontwikkelen, die verantwoordelijk is voor het breken van de binding bij hoge temperatuur, en breidde ook de theorie uit om kwantitatieve voorspellingen van glaseigenschappen te doen.

"Omdat onze theorie is gebaseerd op het tellen van bindingen en atomen, het is iets dat met potlood en papier kan worden opgelost, Mauro zei. "We kunnen nauwkeurige voorspellingen doen van eigenschappen als glashardheid, elastische modulus, viscositeit en de glasovergangstemperatuur."

Hoewel hun theorie, geformuleerd in 2008, is met succes toegepast op veel oxideglassystemen en gebruikt bij de formulering van industriële glassamenstellingen, dit papier is de eerste keer dat het is toegepast op het ZIF metaal-organisch glassysteem.

Thomas Bennett van de Universiteit van Cambridge leidt het experimentele deel van het werk, inclusief de synthese van ZIF-samples, die momenteel slechts millimeters groot zijn.

"Er zijn nog veel uitdagingen die moeten worden aangepakt, " zei Mauro. "We hopen deze modelleringsbenaderingen te gebruiken om glazen te voorspellen die we kunnen gebruiken om op industriële schaal op te voeren en vervolgens te commercialiseren. Zou het niet geweldig zijn om een ​​glas te hebben dat zowel optisch transparant als mechanisch ductiel is?"