Glas is een van de meest voorkomende materialen die we dagelijks gebruiken, maar de gedetailleerde structuur van dit niet-metalen en niet-vloeibare materiaal is altijd een groot mysterie geweest in de wetenschap. Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft met succes ontdekt dat het amorfe en kristallijne metaalglas dezelfde structurele bouwstenen heeft. En het is de connectiviteit tussen deze blokken die de kristallijne en amorfe toestanden van het materiaal onderscheidt. De bevindingen werpen licht op het begrip van de glasstructuur.

Glas is een niet-kristallijne amorfe vaste stof die in het dagelijks leven wijdverbreid praktisch en technologisch wordt gebruikt. Naast het natronkalkglas dat in ramen wordt gebruikt, er zijn veel andere soorten glazen, zoals metaalglas. Glasfasemateriaal is mysterieus en bijzonder:aan de buitenkant, het materiaal gedraagt ​​zich als een vaste stof, maar binnen, het lijkt zo wanordelijk als een vloeistof. De structuur ervan is dus lange tijd de focus geweest van wetenschappelijk onderzoek.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Wang Xunli, voorzitter hoogleraar natuurkunde en hoofd van de afdeling natuurkunde bij CityU, heeft een structureel verband ontdekt tussen een vast glas en zijn kristallijne tegenhanger, wat een doorbraak is in het begrijpen van de gedetailleerde structuur van amorf materiaal. Het werk is gepubliceerd in Natuurmaterialen , getiteld "Een structuurmotief op middellange afstand dat amorfe en kristallijne toestand met elkaar verbindt."

"De structuur van glas is een grote wetenschappelijke uitdaging geweest, zei professor Wang.

In tegenstelling tot een kristallijne vaste stof die bestaat uit periodieke stapeling (langeafstandsvolgorde) van fundamentele bouwstenen die bekend staan ​​​​als eenheidscellen, een glasmateriaal heeft geen lange-afstandsvolgorde. Maar een glasmateriaal heeft structuren besteld op korte afstand (2 ^-5 Å) en middellange afstand (5 ^-20 EEN), en zelfs langere lengteschalen. Echter, vanwege het gebrek aan contrast als gevolg van de amorfe aard van het materiaal, het was moeilijk voor wetenschappers om de aard van de orde op middellange afstand experimenteel te bepalen. Als resultaat, het bleef een wetenschappelijk mysterie of er een structureel verband bestaat op middellange of langere lengteschalen tussen het amorfe materiaal en zijn kristallijne tegenhangers. Verdere verergering van het probleem is dat een amorf materiaal vaak kristalliseert in een fase van verschillende samenstelling, met zeer verschillende onderliggende structurele bouwstenen.

Om deze uitdaging te overwinnen, het team veroverde een tussenliggende kristallijne fase door nauwkeurige controle van de verwarming van een metallisch glas (een palladium-nikkel-fosfor (Pd-Ni-P) legering) bij een hoge temperatuur.

Het team gebruikte vervolgens verschillende geavanceerde technieken voor structuuranalyse, inclusief transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie, hoge precisie synchrotron röntgendiffractie en geautomatiseerde computerbeeldanalyse. Door de structuren van het metallische glas (legering) in zijn amorfe en intermediaire kristallijne toestanden te vergelijken, ontdekte het team dat beide vormen van de legeringen dezelfde bouwsteen delen, dat is een zesledige tricapped trigonaal prismacluster (6M-TTP) bestaande uit atomen van palladium, nikkel, en fosfor. Het team concludeerde ook dat het de connectiviteit tussen de clusters was die de kristallijne en amorfe toestanden onderscheidt.

"Onze experimentele studie toont aan dat structurele bouwstenen die de amorfe en kristallijne toestanden met elkaar verbinden, zoals de trigonale prismacluster voor Pd-Ni-P metallic glas, zou zich goed kunnen uitstrekken tot de middellange lengteschaal, in de orde van tientallen angstroms (Å), wat een universeel kenmerk zou kunnen zijn voor amorfe materialen. Deze bevinding suggereert sterk dat de structuur van het glas zich onderscheidt van zijn kristallijne tegenhanger, voornamelijk in de connectiviteit van de structurele bouwstenen, zei professor Wang.

De onderzoekers geloofden dat het begrijpen van de moleculaire structuur van amorf materiaal van vitaal belang was voor het ontwerp van nieuwe materialen, omdat de structuur de eigenschappen bepaalde. "Onze experimentele studie werpt licht op de structuur van amorfe materialen op grotere lengteschalen. Dit zal een grote bijdrage leveren aan onze inspanningen om de structuur van glas te achterhalen, ’ voegde professor Wang eraan toe.