Bliksem en vulkanen produceren allebei glas, en mensen maken al sinds de prehistorie glas van siliciumdioxide. Industrialisatie bracht ons op boor gebaseerde glazen, polymeerglazen en metalen glazen, maar nu heeft een internationaal team van onderzoekers een nieuwe glasfamilie ontwikkeld op basis van metalen en organische verbindingen die zich opstapelen tot het oorspronkelijke silica in glasvormend vermogen.

Glasvormend vermogen is het vermogen van een vloeistof om kristallisatie tijdens afkoeling te voorkomen.

"Glas is een vloeistof die in niet-kristallijne vorm is bevroren tot een vast materiaal, " zei John C. Mauro, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Mechanisch gedraagt ​​het zich als een vaste stof, maar het zit ergens tussen een vloeistof en een vaste stof in."

De sleutel tot het maken van glas is om de bronmaterialen te smelten en ze vervolgens op de een of andere manier af te koelen zodat er geen kristallen worden gevormd. Een manier om dit te doen is door snel afkoelen of afschrikken. Dit verkort de tijd die beschikbaar is voor de vorming van kristallen vanwege de snelle temperatuurdaling.

Basis silicaglas heeft een tetraëdrische structuur met silicium in het midden en vier zuurstofatomen op de hoeken. Een tetraëder is een driehoekige piramide. Elke zuurstof hecht aan een andere silicium-gecentreerde tetraëder.

Het metaal-organische glas dat de onderzoekers produceerden, vervangt silicium door zink, maar gebruikt twee vergelijkbare maar verschillende organische verbindingen op de hoeken:imidazolaat en benzimidazolaat. Deze organische moleculen nemen willekeurig de plaats in van de zuurstofatomen op de tetraëderhoeken.

Silicaglas had het beste glasvormende vermogen van alle glazen totdat de onderzoekers op zink gebaseerd ZIF-62 metaal-organisch glas synthetiseerden, de onderzoekers rapporteerden vandaag (9 maart) online in wetenschappelijke vooruitgang . Ze merkten dat hoe meer benzimidazolaat in het metaal/organische raamwerk werd opgenomen, hoe beter het glasvormend vermogen. De meer viskeuze vloeistoffen met de meest omvangrijke liganden hebben de neiging om kristallisatie het beste te weerstaan.

ZIF-62 heeft het beste glasvormende vermogen van 50 bestaande glazen en hoewel standaard silicaglas broos is, het metaal-organische glas is veel buigzamer, wat ook kan bijdragen aan het glasvormende vermogen.

Op zink gebaseerd organisch glas is moeilijker te produceren dan kwartsglas omdat de organische verbindingen imidazolaat en benzimidazolaat eerst moeten worden gesynthetiseerd, gemengd met waterhoudend zinknitraat en een oplosmiddel. Het mengsel smelt vervolgens bij ongeveer 800 graden Fahrenheit.

Temperatuur is belangrijk omdat het mengsel volledig moet smelten, maar niet ongeveer 980 graden Fahrenheit bereiken, op welk punt het gesmolten glas zal verdampen.

De onderzoekers keken naar enkele materiaaleigenschappen met behulp van verschillende spectroscopische benaderingen en röntgendiffractie. Ze maten ook de mechanische eigenschappen en optische transmissie van het gesmolten glas. Sommige van deze tests werden gedaan bij Corning Inc., in Corning, New York.

"Deze brillenfamilie is zo nieuw dat, terwijl we het glasvormend vermogen en een paar andere eigenschappen hebben bepaald, we hebben niet alle materiaaleigenschappen volledig gekarakteriseerd, "zei Mauro. "Er moet ook onderzoek worden gedaan naar hoe dit proces voor productie kan worden opgeschaald."

De onderzoekers willen ook andere metaal-organische combinaties identificeren om verschillende glazen te maken. Ze zijn vervolgens van plan om naar een op kobalt gebaseerd glas te kijken.