Wetenschap
Zachte ondersteuning kan onverwacht stabiel glas maken
Brillen zijn alomtegenwoordige materialen die worden aangetroffen in bouwmaterialen, drankverpakkingen, zachte elektronica en schermen van mobiele telefoons. De creatie van natuurlijk dicht en stijf glas vindt plaats via een proces dat bekend staat als veroudering. Het gaat om een langzame transformatie die kan plaatsvinden over millennia tot honderden miljoenen jaren en die wordt gekenmerkt door de geleidelijke verdichting en verstijving van een vloeistof die is afgekoeld tot onder het smeltpunt.
In 2007 ontdekten onderzoekers echter dat stabiel glas ook kan worden geproduceerd door het materiaal uit de dampfase te condenseren, met behulp van een proces dat fysieke dampdepositie wordt genoemd. Door dampafzetting kunnen moleculen die net aan de oppervlakte zijn aangekomen beter worden verpakt, waardoor glazen met een betere veroudering ontstaan.
Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Zahra Fakhraai van de School of Arts &Sciences van de Universiteit van Pennsylvania, in samenwerking met wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory, een methode ontdekt om dit verouderingsproces verder te versnellen, door de fundamentele principes te herdefiniëren die ten grondslag hebben gelegen aan de ontwikkeling van het verouderingsproces. vorming van stabiel glas. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials .
"Wat we, nogal paradoxaal genoeg, hebben ontdekt, is dat we door het gebruik van een zacht, flexibeler substraat tijdens ons opdampproces stijver en dichter glas kunnen maken dan voorheen", zegt Fakhraai. "Deze bevindingen bieden een nieuwe manier om glasfilms nauwkeurig te engineeren en maken de weg vrij voor het veel sneller maken van duurzame materialen."
De ontdekking kwam toevallig tot stand toen Peng Luo, een postdoctoraal onderzoeker bij de Fakhraai Group, werd aangemoedigd om te experimenteren met zachte substraten voor glasafzetting, voornamelijk uit nieuwsgierigheid, "om te zien of zachtere substraten schade aan het materiaal zouden veroorzaken", zegt hij. "Maar wat we zagen was glas dat eigenschappen vertoonde alsof het vele miljoenen jaren oud was, veel beter dan wat kan worden gezien bij methoden waarbij traditionele stijve substraten worden gebruikt."
Luo legt uit dat eerdere studies de afzettingssnelheid en substraattemperatuur gebruikten om de assemblage van de oppervlaktemoleculen te controleren nadat ze op het substraat waren geland, en dat bij geschikte temperaturen, hoe langzamer de afzettingssnelheid, hoe meer tijd de gelande moleculen zullen hebben om zich aan te passen. naar een stabielere structuur voordat ze begraven en "bevroren" worden door de binnenkomende moleculen.
"Het is eigenlijk een 'zelfassemblage' van de oppervlaktemoleculen op een manier die wordt bepaald door hun eigen mobiliteit bij een bepaalde temperatuur, en we hebben niet zoveel controle over hoe langzaam we kunnen deponeren", zegt hij. "Onze bevinding dat een zacht substraat de afgezette glasfilm dichter kan maken, geeft aan dat de elasticiteit van het substraat het assemblageproces van de oppervlaktemoleculen kan beïnvloeden, en daarom kan dit worden gebruikt als een nieuwe dimensie om de structuur en eigenschappen van glasfilms te controleren. een veel groter bereik dat voorheen niet toegankelijk was."
Door zachte substraten zoals polydimethylsiloxaan in te zetten, heeft het team aangetoond dat het mogelijk is om stabiele glasvorming aanzienlijk te versnellen, waarbij een materiaal wordt vervaardigd met een 2% tot 2,5% hogere dichtheid dan conventioneel vloeistofgedoofd glas en maar liefst 1% groter dan welk ander glas dan ook. gerapporteerd stabiel glas.
Luo voegt eraan toe dat een andere opmerkelijke bevinding is dat het molecuul dat ze hebben afgezet slechts een nanometer lang is; Tijdens de depositie kunnen de oppervlakte-evenwichtsprocessen echter over een aanzienlijke afstand, gemeten op ongeveer 200 nanometer, door het zachte substraat worden beïnvloed. Deze afstand is opmerkelijk omdat deze veel groter is dan wat op basis van de huidige glastheorieën zou worden verwacht, wat een uitdaging vormt voor het bestaande begrip.
"Dit effect kan worden vergeleken met het spelen van een spelletje telefoon in een zaal vol met 200 mensen, maar op de een of andere manier wordt de boodschap, op mysterieuze wijze, perfect en zonder verstoring overgebracht", zegt Fakhraai. "De invloed van het zachte substraat over zo'n grote afstand suggereert een vorm van langeafstandscommunicatie of interactie aan de oppervlakte, die nog niet volledig wordt begrepen en iets dat we graag willen onderzoeken in toekomstig onderzoek."