UCLA-werktuigbouwkundigen en materiaalwetenschappers hebben een proces ontwikkeld dat nanodeeltjes gebruikt om de atomaire structuur van glas te versterken. Het resultaat is een product dat minstens vijf keer sterker is dan welk glas dan ook dat momenteel verkrijgbaar is.

Het proces kan glas opleveren dat nuttig is voor industriële toepassingen - in motorcomponenten en gereedschappen die bestand zijn tegen hoge temperaturen, bijvoorbeeld, maar ook voor deuren, tafels en andere architecturale en designelementen.

De studie werd online gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen en zal worden opgenomen in een toekomstige gedrukte editie. De auteurs schreven dat dezelfde aanpak ook kan worden gebruikt voor het vervaardigen van sterker keramiek dat kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, in ruimtevaartuigcomponenten die beter bestand zijn tegen extreme hitte.

In de materiaalkunde, "taaiheid" meet hoeveel energie een materiaal kan absorberen - en hoeveel het kan vervormen - zonder te breken. Hoewel glas en keramiek kunnen worden versterkt met externe behandelingen, zoals chemische coatings, die benaderingen veranderen niets aan het feit dat de materialen zelf broos zijn.

Om dat probleem op te lossen, de UCLA-onderzoekers namen een richtsnoer van de atomaire structuur van metalen, die tegen een stootje kan en niet breekt.

"De chemische bindingen die glas en keramiek bij elkaar houden zijn behoorlijk stijf, terwijl de bindingen in metalen enige flexibiliteit mogelijk maken, " zei Xiaochun Li, de Raytheon Professor of Manufacturing aan de UCLA Samueli School of Engineering, en de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "In glas en keramiek, wanneer de impact sterk genoeg is, een breuk zal zich snel door het materiaal voortplanten in een overwegend recht pad.

"Als iets een metaal raakt, de meer vervormbare chemische bindingen werken als schokdempers en de atomen bewegen rond terwijl ze de structuur nog steeds bij elkaar houden."

De onderzoekers veronderstelden dat door glas te infuseren met nanodeeltjes siliciumcarbide, een metaalachtig keramiek, het resulterende materiaal zou meer energie kunnen absorberen voordat het zou falen. Ze voegden de nanodeeltjes toe aan gesmolten glas om 3 uur, 000 graden Fahrenheit, wat ervoor zorgde dat de nanodeeltjes gelijkmatig werden verspreid.

Zodra het materiaal gestold is, de ingebedde nanodeeltjes kunnen fungeren als wegversperringen voor mogelijke breuken. Wanneer er een breuk optreedt, de kleine deeltjes dwingen het om zich te vertakken in kleine netwerken, in plaats van het een recht pad te laten nemen. Door die vertakking kan het glas aanzienlijk meer energie van een breuk absorberen voordat het aanzienlijke schade aanricht.

Sinteren, waarin een poeder onder druk wordt verhit, en dan afgekoeld, is de belangrijkste methode die wordt gebruikt om glas te maken. Het was ook de methode die in eerdere experimenten door andere onderzoeksgroepen werd gebruikt om nanodeeltjes in glas of keramiek te verspreiden. Maar in die experimenten de nanodeeltjes waren niet gelijkmatig verdeeld, en het resulterende materiaal had een ongelijkmatige taaiheid.

De glazen blokken die het UCLA-team voor het experiment ontwikkelde, waren enigszins melkachtig, in plaats van duidelijk, maar Li zei dat het proces kan worden aangepast om helder glas te maken.