Voor de eerste keer, de ondergrondse structurele veranderingen van silicaglas als gevolg van slijtage en schade op nanoschaal zijn onthuld via spectroscopie, die kunnen leiden tot verbeteringen in glasproducten zoals elektronische displays en autoruiten, volgens een team van internationale onderzoekers.

"Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden in mijn groep is glasoppervlaktewetenschap, voornamelijk de relatie tussen eigendom, de structuur van het glas, en mechanische en chemische eigenschappen, vooral mechanische duurzaamheid en chemische duurzaamheid, "Seong Kim, Penn State onderscheiden hoogleraar chemische technologie en co-hoofdauteur van de studie in Acta Materialia , zei. "En een van de technieken die we hebben gebruikt, is vibratiespectroscopie. Maar de uitdaging van de structurele analyse op nanoschaal van een glasoppervlak is dat veel van de spectroscopietechnieken die mensen op grote schaal gebruiken hier niet werken."

Infraroodspectroscopie kan oppervlaktedefecten slechts tot op zekere hoogte detecteren. Als het type defect dat wordt gegenereerd op het glasoppervlak kleiner is dan 10 micron, die onder de 10-microngolflengte van infraroodspectroscopie ligt, het kan niet goed worden geanalyseerd of afgebeeld. Analysetechnieken zoals Raman-spectroscopie die in de glasonderzoeksgemeenschap worden gebruikt, werken beter in termen van ruimtelijke resolutie, maar zijn nog steeds niet voldoende voor structurele analyse op nanoschaal.

Het team van Kim wilde een techniek ontwikkelen die zou kunnen achterhalen wat voor soort structuurverandering optreedt rond inkepingen op nanoniveau in het glasoppervlak. Als onderdeel van de studie, ze sneden het glasoppervlak in met een kleine punt die nano-inkepingen van een paar honderd nanometer diep en een of twee micron breed kan maken. Het is belangrijk om erachter te komen wat voor soort structurele veranderingen er plaatsvinden, zelfs met kleine schadeniveaus, omdat deze oneindig kleine onvolkomenheden de sterkte van glas kunnen beïnvloeden.

Volgens de onderzoekers is een voorbeeld hiervan is Gorilla Glass, vervaardigd door Corning Inc. als displayglas voor elektronica zoals mobiele telefoons, en meer recentelijk voor auto- en vliegtuigwindschermen. Dit glas is extreem sterk als het de plant verlaat, maar tegen de tijd dat het de fabrikanten bereikt, het glas is zwakker. Dit komt door minuscule krasjes en andere beschadigingen tijdens fysieke contacten die zijn gemaakt door papiercontact, trillingen in een vrachtwagen, in de verpakking zitten en regelmatig schuiven tijdens het lossen. De gebreken zijn mogelijk niet zichtbaar, maar ze zijn genoeg om het glas te verzwakken.

In aanvulling, glas kan roesten. De corrosie is anders dan metaalcorrosie. Bij glascorrosie, het glas verliest enkele van zijn samenstellende elementen op het glasoppervlak en de chemische eigenschappen van het glas veranderen, die ook glas kan verzwakken.

"Dus, hoe kun je zulke onzichtbare structurele schade karakteriseren?' zei Kim. 'Dat is een heel belangrijk gebied voor de glaswetenschap, als theoretisch, glas moet zo sterk zijn als staal. Maar glas is niet zo sterk als staal en een van de belangrijkste redenen is oppervlaktedefecten."

Toen Kims team hun ultrakleine inkepingen in het glas maakte, ze wilden zien wat voor structurele verandering er in en rond de inkeping is opgetreden als gevolg van schade aan het glas.

"Dus, omdat de maximale grootte van de inkepingen slechts enkele microns was, we hadden een zeer ruimtelijk opgeloste infraroodspectroscopietechniek nodig om dit te karakteriseren, ' zei Kim.

Om deze uitdaging te overwinnen en schade aan het glas te "zien", Kim nam contact op met een collega, Slava V. Rotkin, Penn State Frontier hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, die een nieuwe instrumentatietechniek gebruikt die bekend staat als "hyperspectrale near-field optische mapping." Deze techniek biedt zowel optische spectrale resolutie als hoge ruimtelijke resolutie en maakt gebruik van een verstrooiende scanning near-field optische microscoop gebouwd door Neaspec GmpH, een Duits bedrijf voor beeldvormings- en spectroscopie-instrumenten op nanoschaal.

"Tot voorkort, studies zoals die van Seong waren ofwel indirect omdat je de kleine dingen die op nanoschaal gebeuren niet echt in beeld kunt brengen, of ze raken aan fysieke dingen zoals atomen of moleculen, maar niet de optische eigenschappen, ' zei Rotkin. 'Dus, ons instrument is echt uniek omdat je er optisch onderzoek mee kunt doen op extreem kleine schaal, wat in het verleden nooit mogelijk was."

Glas is meestal siliciumoxide en hetzelfde, in principe, als zand of het kristallijne kwarts in horloges, met een groot verschil - het niveau van aanwezige defecten. Zand is als een steen met veel oppervlaktegebreken, kristallijn kwarts is een perfect kristal, en glas is daar iets tussenin. Dit maakt het moeilijk om glas te "zien" op nanoschaal, omdat er zoveel ongelijkheden zijn. Maar de hyperspectrale optische kaarttechniek in het nabije veld stelt onderzoekers in staat om op het glas in te zoomen en effecten op het glas te zien van de krassen, zelfs buiten topografische schade.

"Het is alsof je een groot bos van bovenaf bekijkt, en er zijn er veel, veel bomen, struiken, paddestoelen, bloemen enzovoort, en je weet niet waar je naar moet kijken, ' zei Rotkin. 'Seongs studenten maakten krassen in het glas. En dan zie je de kras, het is interessant en valt op, alsof je een opening in het bos hebt vrijgemaakt door bomen te verwijderen. En als je de bomen opruimt, het kan een struik op de grond duwen en het verandert op de een of andere manier de kleur van de bladeren als gevolg van enige schade. Misschien kun je dat niet zien met het kijkinstrument dat je gebruikt, maar met ons instrument, het is alsof je die individuele struik kunt zien, en niet alleen dat, zie dat de bladeren rood zijn geworden."

Dit is een belangrijke stap voor de glaswetenschap, volgens de onderzoekers.

"Het artikel dat we in principe hebben gepubliceerd, effent de nieuwe weg om te leren hoe deze niet-uniformiteiten van glas optreden, en wat is de fysica daarachter, " zei Rotkin. "We zien dat er mechanische veranderingen zijn, de krassen veroorzaken fysieke veranderingen, chemische veranderingen en veranderingen in de optische eigenschappen. Dit is buitengewoon interessant. Het is echt een heel groot ding."

Dit begrijpen is belangrijk omdat precisie belangrijk is voor veel soorten apparaten. Een camera op een Marsrover kan spectrale eigenschappen op het oppervlak van Mars meten, maar een kras op het glas kan niet alleen de optische eigenschappen aantasten, maar ook de mechanische en chemische eigenschappen die belangrijk zijn voor echt nauwkeurige metingen. Of, nano-krassen op het glas van een mobiele telefooncamera kunnen niet alleen de transparantie veranderen, maar kan ook kleurcodes veranderen en resulteren in foto's van lagere kwaliteit, zei het team.

"Deze studie gaat meer over het begrijpen van wat er met het glas gebeurt op manieren die we nog nooit eerder hebben gedaan, en zonder begrip, een proces of product kan met vallen en opstaan ​​worden verbeterd, " zei Kim. "Maar een betere manier om het te doen is de op kennis gebaseerde ontwikkeling of verwerking. Dus, als we niet kunnen begrijpen wat voor soort defecten worden veroorzaakt door fysiek contact, hoe kunnen we het glasoppervlak beter of perfecter maken, duurzamer, mechanisch en chemisch?"

Gewapend met deze informatie, Kim gelooft dat er een grote kans is op nieuwe ontwikkelingen in de glaswetenschap.

"Door nano-oppervlakteschade over multicomponent glasmaterialen te begrijpen met behulp van deze techniek, kunnen we ons fundamentele begrip van glaswetenschap aanzienlijk vergroten, ' zei Kim.