Od visokih nebotičnikov do majhnih in izvrstnih ur s kronografom, steklo je mogoče videti povsod v življenju.
Pred obema zasedanjima Državnega ljudskega kongresa je Peng Shou, predstavnik Državnega ljudskega kongresa, akademik Kitajske inženirske akademije, glavni inženir China National Building Materials Group in predsednik China National Building Materials Glass New Materials Research Inštitut je v intervjuju z novinarji dejal, da moramo odločno spodbujati varčevanje z energijo in zmanjšanje ogljika v steklarski industriji, tako da bo kitajska steklarska industrija "postajala zelena".
Dejstvo je, da steklo ne sme samo »pozeleneti«, ampak se mora tudi »pomladiti« – s podaljševanjem časa uporabe bo steklo povzročalo pojav staranja, ki ga običajno spremlja poslabšanje fizikalnih, mehanskih in drugih lastnosti. Kako "pomladiti" starajoče se steklaste snovi in jim povrniti lastnosti, v zadnjih letih pritegne vedno več pozornosti znanstvene skupnosti.
Konec leta 2022 je ekipa Jianga Minqianga, raziskovalca na Inštitutu za mehaniko Kitajske akademije znanosti, z raziskavo razkrila nov mehanizem pomlajevanja za močno starana kovinska stekla in poglobila razumevanje pomlajevanja steklenih struktur. Ustrezni rezultati raziskave so bili objavljeni v Nacionalni naravoslovni fundaciji Kitajske, ki jo upravlja Nacionalna naravoslovna fundacija Kitajske. Fundamental Research, multidisciplinarna revija v angleškem jeziku, ki jo sponzorira
Staranje stekla: počasen prehod iz nereda v red
Da bi se steklo »pomladilo«, moramo najprej razumeti, kako steklo »raste«.
Jiang Minqiang je predstavil, da je z mikroskopske perspektive steklo amorfna trdna snov z nepravilno strukturo. Novinarjem je dal primer: v kristalnih trdnih snoveh, kot je jeklo, so atomi kot učenci, ki tiho sedijo v učilnici, urejeni in pravilnih oblik. V steklu, amorfni trdni snovi z nepravilno strukturo, so atomi kot študenti po pouku, ki tekajo naokoli po kampusu, in njihova razporeditev je neurejena.
Pojav staranja stekla je v bistvu pretvorba stekla iz neurejenega stanja, ko je prvotno oblikovano, v urejeno stanje. "Na splošno je skupna energija snovi v neurejenem stanju višja, medtem ko je v urejenem stanju skupna energija snovi nižja. S časom se bo steklo postopoma spreminjalo iz visokoenergijskega v nizkoenergijsko stanje. Ta proces se na splošno imenuje staranje stekla. "Jiang Minqiang je pojasnil, da se lahko steklo, če je staranje dovolj dolgo ali se pospeši s segrevanjem, spremeni v trden kristal s pravilno strukturo.
Staranje stekla vpliva na številne lastnosti, kot so žilavost, optične lastnosti in električna prevodnost stekla. Gre za pojav, ki ga ljudje želijo odložiti ali se mu celo izogniti. Zato je pomlajevanje stekla že dolgo deležno široke pozornosti znanstvenih raziskovalcev kot proces obračanja staranja stekla.
"Pomlajevanje stekla je obraten proces staranja stekla, to je, da se steklo, katerega atomi so po staranju postali relativno urejeni, počasi vrne v stanje relativno neurejenih atomov," je dejal Jiang Minqiang. V prejšnjih študijah o pomlajevanju stekla so raziskovalci ugotovili, da bo pomlajeno steklo sprostilo del toplotne entalpije, ko se segreje na določeno temperaturo, in višja kot je stopnja pomlajevanja stekla, večja je toplotna entalpija, ki se sprosti med segrevanjem. veliko. Toplotna entalpija je pomemben parameter stanja, ki označuje energijo materialnega sistema. Laično povedano je entalpija energija, ki jo sprosti pomlajeno steklo med procesom segrevanja.
"Naše raziskave kažejo, da zgornje stališče ne velja za močno starano steklo. Ko se stopnja pomlajevanja močno staranega stekla poveča, se njegova toplotna entalpija ne spremeni ali pa sploh nima toplotne entalpije." Raziskava ekipe Jianga Minqianga kaže, da prejšnji pogledi na mehanizem staranja stekla niso uporabni za močno starano steklo, kar posodablja razumevanje ljudi o mehanizmu pomlajevanja strukture stekla.
»Nenamerno vstavljanje«: Rezultati raziskave so nepričakovani
"Pravzaprav je preboj v tej raziskavi prišel iz 'nenamernega' poskusa naše raziskovalne skupine." Jiang Minqiang je dejal, da je bil prvotni namen tega poskusa samo priprava poskusnih vzorcev. "Naša ekipa je prvotno pripravila vzorec za drug poskus. Da bi okrepili znanstveno naravo poskusa, je treba odpraviti termično zgodovino vzorca in zagotoviti, da ima dosledno strukturo. Izvedli smo operacijo nizkotemperaturnega žarjenja na vzorcu stekla - kovinsko steklo se počasi segreje na določeno temperaturo in vzdržuje dovolj časa, nato pa se ohladi na sobno temperaturo z določeno hitrostjo. "Nato je raziskovalna skupina pomladila močno postarano steklo z mehansko deformacijo. Rezultat je bil nepričakovan - "Očitno vnesemo energijo v steklo z mehanskim delom, zakaj torej ta stekla ne oddajajo toplote in postanejo mlajša?" To je v nasprotju s prejšnjim splošnim pogledom.
Ta rezultat je raziskovalno skupino zmedel. Da bi razrešili uganko, je raziskovalna skupina poleg merjenja toplotne entalpije izmerila tudi visokotemperaturno (450K-750K) in nizkotemperaturno (1,9K-100K) specifično toploto vzorec stekla, nato pa raziskali informacije o atomskih vibracijah in informacije o topološki strukturi stekla. "Med poskusom je raziskovalna skupina ugotovila, da čeprav je parameter sproščanja entalpije pred posteklenitvenim prehodom v nekaterih primerih ostal nespremenjen, sta se efektivna sprememba entalpije med posteklenitvenim prehodom in nizkotemperaturna specifična toplota atomov odrazila. Vendar sta dve fizikalni količini vibracijski Bosejev vrh se bo ustrezno spremenil," je nadalje pojasnil Jiang Minqiang, "To kaže, da sproščanje toplotne entalpije ni edina fizikalna količina, ki odraža pomlajevanje stekla."
Ko je govoril o tem, zakaj ostaja sproščanje toplotne entalpije nespremenjeno, je Jiang Minqiang znova pojasnil z nazornim primerom: »Če postavimo majhno kroglico v vdolbino 'konkavno' oblikovane ravnine, bo majhna kroglica naravno ostala mirujoča. stabilnost Stanje je podobno stanju močno postaranega stekla. In če nagnemo to "konkavno" oblikovano ploskev pod določenim kotom, čeprav višina konkavnega, to je energijska raven steklastega materiala ostane skoraj nespremenjena, stanje steklo, ki ga predstavlja majhna kroglica, bo ostalo enako. Postalo bo nestabilno in pojavil se bo pojav pomlajevanja stekla."
Rezultati raziskav kažejo, da se pomlajevanje stekla poleg dosedanjih prevladujočih pogledov lahko odraža neposredno v sproščanju toplotne entalpije, to je povečanju nivoja energije, lahko pa se odraža tudi v nagibu energijske površine, tj. , s preureditvijo lokalne strukture. Prosti volumen se prerazporedi v prostoru. "To je nov mehanizem za pomlajevanje močno starih steklenih materialov, ki smo jih odkrili." Jiang Minqiang je dejal.
Širjenje scenarijev: zagotavljanje širokega aplikacijskega prostora
Ta študija je tudi ugotovila, da ko steklo preide v stabilno stanje pretoka, se bodo zgornji trije fizikalni parametri, ki označujejo pomlajevanje, nagibali k vrednostim nasičenosti, s čimer je bilo prvič eksperimentalno določeno, da je zgornja meja pomlajevanja steklene strukture »zamrznjeno« stabilno državni tok. država.
Če za analogijo uporabimo vodo, je steklo, ki pri visokih temperaturah postane tekoče, podobno vodi, medtem ko je steklo, ki se pri nizkih temperaturah strdi, podobno ledu. "Meja pomlajevanja steklene strukture je nenadna zamrznitev visokotemperaturne steklene tekočine z izjemno hitrim hlajenjem, s čimer se oblikuje materialno stanje, podobno" zamrznjeni tekoči vodi "." Jiang Minqiang je pojasnil: "V tem primeru bo steklo videti v trdnem stanju. Ohranjanje materialne strukture, ki je skoraj enaka tekočini, bo njegova fluidnost dosegla mejo trenutnega razumevanja."
Nov mehanizem pomlajevanja steklastih snovi, razkrit v tej študiji, nam ne omogoča le boljšega razumevanja vzrokov in procesov staranja stekla s fizičnega vidika, ampak ima tudi ogromen potencial uporabe pri spodbujanju serijskega pomlajevanja staranega stekla. . "Raziskovalna skupina trenutno komunicira s podjetji, ki se ukvarjajo s proizvodnjo stekla ali raziskavami in razvojem, ter poskušajo najti dobro kombinirano točko za promocijo tehnologije na trg."
Poleg tega je Jiang Minqiang odkril tudi, da se pričakuje, da bo nov mehanizem, razkrit v tej študiji, uporabljen tudi pri pripravi naprednih kovinskih materialov.
"Na splošno velja, da trdnost in žilavost kovinskih materialov ne moreta biti združljivi drug z drugim. Ko se trdnost poveča, se bo žilavost zmanjšala in obratno." Jiang Minqiang je dejal: "Kako premagati to inherentno obrnjeno razmerje je, da se pripravimo tako na trdnost kot na žilavost naprednih kovinskih materialov."
Kovinski materiali visoke trdnosti imajo na splošno zelo nizke ravni skupne energije na mikroskopski ravni. Če se energija vnaša s segrevanjem in drugimi metodami, poskusi izboljšanja žilavosti kovinskih materialov s povečanjem celotne ravni energije pogosto zahtevajo izjemno visoke energetske naložbe, kar je skoraj nemogoče doseči.
"Če lahko uporabimo nov mehanizem, odkrit v tej študiji, da prilagodimo energijski površinski kot kovinskih materialov, ko je skupna raven energije nizka, lahko povečamo motnjo atomov, medtem ko ohranjamo isto makroskopsko moč, s čimer povečamo žilavost kovine. S to metodo se lahko učinkovito izognemo ogromni porabi energije in močno zmanjšamo stroške priprave kovinskih materialov visoke trdnosti, "Jiang Minqiang je dejal, da njegova ekipa trenutno poskuša doseči odločilne preboje. Zagotavlja nove ideje za rešitev dolgotrajnega nezdružljivega protislovja med trdnostjo in žilavostjo kovinskih materialov.