От извисяващи се небостъргачи до малки и изящни часовници с хронограф, стъклото може да се види навсякъде в живота.
Преди двете сесии на Общокитайското събрание на народните представители Пенг Шоу, представител на Общокитайското събрание на народните представители, академик на Китайската инженерна академия, главен инженер на Китайската национална група за строителни материали и президент на Китайското национално изследване на нови материали за стъкло Institute, каза в интервю с репортери, че трябва енергично да насърчаваме енергоспестяването и намаляването на въглеродните емисии в стъкларската промишленост, така че китайската стъклена индустрия да „става зелена“.
Всъщност стъклото трябва не само да "позеленее", но и да се очаква да се "подмлади" - с увеличаване на времето за експлоатация стъклото ще предизвика явления на стареене, което обикновено е придружено от влошаване на физичните, механичните и други свойства. Как да "подмладите" стареещите стъкловидни субстанции и да възстановите техните свойства привлича все повече и повече внимание на научната общност през последните години.
В края на 2022 г. екипът на Jiang Minqiang, изследовател в Института по механика към Китайската академия на науките, разкри чрез изследване нов механизъм за подмладяване на силно остарели метални стъкла и задълбочи разбирането за подмладяването на стъклени структури. Съответните резултати от изследването са публикувани в Националната фондация за природни науки на Китай, управлявана от Националната фондация за природни науки на Китай. Fundamental Research, мултидисциплинарно англоезично списание, спонсорирано от
Стареене на стъкло: бавен преход от безпорядък към ред
За да накараме стъклото да се „подмлади“, първо трябва да разберем как стъклото „расте“.
Jiang Minqiang представи, че от микроскопична гледна точка стъклото е аморфно твърдо вещество с неправилна структура. Той даде пример на репортерите: в кристални твърди тела като стомана, атомите са като ученици, които седят тихо в класната стая, подредени по подреден начин и показващи правилни форми. В стъклото, аморфно твърдо вещество с неправилна структура, атомите са като студенти след час, тичащи наоколо в кампуса, и тяхното подреждане е неподредено.
Феноменът на стареене на стъкло е по същество трансформацията на стъклото от неподредено състояние, когато първоначално е оформено, в подредено състояние. „Общо казано, общата енергия на материята в неподредено състояние е по-висока, докато в подредено състояние общата енергия на материята е по-ниска. С течение на времето стъклото постепенно ще се трансформира от високоенергийно състояние към нискоенергийно състояние Този процес обикновено се нарича стареене на стъкло. "Дзян Минцян обясни, че ако стареенето е достатъчно дълго или стареенето се ускори чрез нагряване, стъклото може дори да се трансформира в твърд кристал с правилна структура.
Стареенето на стъклото ще повлияе на много свойства като здравина, оптични свойства и електрическа проводимост на стъклото. Това е феномен, който хората искат да забавят или дори да избегнат. Следователно, като процес на обръщане на стареенето на стъклото, подмладяването на стъкло отдавна е получило широко внимание от страна на научните изследователи.
„Подмладяването на стъклото е обратният процес на стареенето на стъклото, тоест стъклото, чиито атоми са станали относително подредени след стареене, бавно се връща към състояние на относително неподредени атоми“, каза Джианг Минцян. В предишни проучвания за подмладяване на стъкло, изследователите установиха, че подмладеното стъкло ще освободи част от топлинната енталпия, когато се нагрее до определена температура, и колкото по-висока е степента на подмладяване на стъклото, толкова по-голяма е топлинната енталпия, освободена по време на нагряване. много. Топлинната енталпия е важен параметър на състоянието, характеризиращ енергията на материалната система. Казано на лаик, енталпията е енергията, освободена от подмладеното стъкло по време на процеса на нагряване.
"Нашето изследване показва, че горната гледна точка не се отнася за силно остаряло стъкло. Тъй като степента на подмладяване на силно остаряло стъкло се увеличава, отделянето на топлинна енталпия не се променя или дори изобщо няма отделяне на топлинна енталпия." Изследванията на екипа на Jiang Minqiang показват, че предишните възгледи за механизма на стареене на стъклото не са приложими за силно остаряло стъкло, което актуализира разбирането на хората за механизма за подмладяване на структурата на стъклото.
„Неволно поставяне“: Резултатите от изследването са неочаквани
„Всъщност пробивът в това изследване дойде от „непреднамерен“ опит на нашия изследователски екип.“ Jiang Minqiang каза, че първоначалната цел на този експеримент е била просто да се подготвят експериментални проби. „Нашият екип първоначално подготви пробата за друг експеримент. За да се засили научният характер на експеримента, е необходимо да се елиминира топлинната история на пробата и да се гарантира, че те имат последователна структура. Ние извършихме операция на отгряване при ниска температура върху стъклената проба - бавно нагряване на металното стъкло до определена температура и поддържано за достатъчно време, след което се охлажда до стайна температура с определена скорост "След това изследователският екип подмладява силно остарялото стъкло чрез механична деформация. Резултатът беше неочакван - "Ние очевидно вкарваме енергия в стъклото чрез механична работа, така че защо тези стъкла не отделят топлина и не стават по-млади?" Това противоречи на предишния масов възглед.
Този резултат остави изследователския екип объркан. За да разреши мистерията, в допълнение към измерването на топлинната енталпия, изследователският екип също така измерва високотемпературната (450K-750K) и нискотемпературната (1,9K-100K) специфична топлина на стъклената проба и след това изследва информацията за атомните вибрации и информацията за топологичната структура на стъклото. „По време на експеримента изследователският екип откри, че въпреки че параметърът на освобождаване на енталпията преди встъкляване остава непроменен в някои случаи, ефективната промяна на енталпията по време на встъкляване и нискотемпературната специфична топлина на атомите, отразени обаче, двете физически величини на вибрационният пик на Bose ще се промени съответно," обясни още Jiang Minqiang, „Това показва, че освобождаването на топлинна енталпия не е единственото физическо количество, което отразява подмладяването на стъклото."
Когато говори за това защо отделянето на топлинна енталпия остава непроменено, Jiang Minqiang отново обясни с ярък пример: „Ако поставим малка топка във вдлъбнатината на равнината с „вдлъбната“ форма, малката топка естествено ще остане неподвижна. Този вид стабилност Състоянието е като това на силно състарено стъкло И ако наклоним тази "вдлъбната" равнина под някакъв ъгъл, въпреки че височината на вдлъбнатата част, т.е. енергийното ниво на стъкления материал остава почти непроменено, състоянието на стъклото, представено от малката топка, ще остане същото, то ще стане нестабилно и ще настъпи феноменът на подмладяването на стъклото."
Резултатите от изследването показват, че в допълнение към предишните основни възгледи, подмладяването на стъклото може да се отрази директно в освобождаването на топлинна енталпия, тоест повишаване на енергийното ниво, или може също да се отрази в наклона на енергийната повърхност, т.е. , чрез пренареждане на местната структура. Свободният обем се преразпределя в пространството. „Това е новият механизъм за подмладяване на силно остарели стъклени материали, който открихме.“ Дзян Минцян каза.
Разширяващи се сценарии: осигуряване на широко пространство за приложение
Това проучване установи също, че когато стъклото навлезе в стабилно състояние на течливост, всеки от горните три физически параметъра, характеризиращи подмладяването, ще клони към стойностите на насищане, като по този начин за първи път експериментално се определя, че горната граница на подмладяването на стъклената структура е „замръзналата“ стабилна състояние поток. състояние.
Ако използваме водата като аналогия, стъклото, което става течно при високи температури, е като вода, докато стъклото, което се втвърдява при ниски температури, е като лед. „Ограничението за подмладяване на стъклената структура е внезапното замразяване на високотемпературната стъклена течност чрез изключително бързо охлаждане, като по този начин се образува материално състояние, подобно на „замръзнала течаща вода“. Jiang Minqiang обясни: "В този случай стъклото ще изглежда в твърдо състояние. Поддържайки материална структура, която е почти същата като на течност, неговата течливост ще достигне границата на сегашното разбиране."
Новият механизъм за подмладяване на стъклени вещества, разкрит в това проучване, не само ни позволява да разберем по-добре причините и процесите на стареене на стъкло от физическа гледна точка, но също така има огромно потенциално пространство за приложение в насърчаването на груповото подмладяване на състарено стъкло. . „Изследователският екип в момента комуникира с компании, занимаващи се с производство на стъкло или научноизследователска и развойна дейност, опитвайки се да намери добра комбинация за популяризиране на технологията на пазара.“
В допълнение, Jiang Minqiang също откри, че новият механизъм, разкрит в това проучване, също се очаква да бъде приложен при подготовката на съвременни метални материали.
"Най-общо казано, здравината и издръжливостта на металните материали не могат да бъдат съвместими една с друга. С увеличаването на якостта издръжливостта ще намалее и обратното." Jiang Minqiang каза: "Как да се преодолее тази присъща обърната връзка е да се подготви едновременно Силата и издръжливостта на съвременните метални материали трябва да бъдат изправени."
Металните материали с висока якост обикновено имат много ниски нива на обща енергия на микроскопично ниво. Ако енергията се вкарва чрез нагряване и други методи, опитът да се подобри здравината на металните материали чрез увеличаване на общото енергийно ниво често изисква изключително високи енергийни инвестиции, което е почти невъзможно да се постигне.
„Ако можем да използваме новия механизъм, открит в това изследване, за да регулираме ъгъла на енергийната повърхност на металните материали, когато общото енергийно ниво е ниско, можем да увеличим разстройството на атомите, като същевременно поддържаме същата макроскопична сила, като по този начин повишаваме здравината на метала Чрез този метод можем ефективно да избегнем огромен вложена енергия и значително да намалим разходите за подготовка на високоякостни метални материали, "Jiang Minqiang каза, че неговият екип в момента се опитва да постигне решителни пробиви. Той предоставя нови идеи за разрешаване на дългогодишното непреодолимо противоречие между здравината и издръжливостта на металните материали.