重新发明玻璃:原子稳定性的突破

诸平

Fig. 1 New research has uncovered the importance of atomic ring structures in glass, revealing how their stability influences glass’s performance and transition temperatures. This advance in understanding glass’s molecular dynamics aids in designing better glass products for high-performance applications.

Fig. 2 Oak Ridge National Laboratory and Corning scientists discovered that as the number of smaller, less-stable atomic rings in a glass increases, the instability, or liquid fragility, of the glass also increases. Credit: Titanas from Athens, Greece

据美国能源部橡树林国家实验室（Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory简称ORNL）2024年2月22日提供的消息，重新发明玻璃: 原子稳定性的突破（Reinventing Glass: A Breakthrough in Atomic Stability）。

玻璃越来越多地应用于各种高性能领域，包括日常消费和工业应用、军事和航空航天电子、以及涂料和光学。考虑到手机和喷气式飞机等产品对精度的严格要求，玻璃基板在整个制造过程中保持形状不变至关重要。

康宁公司（Corning Incorporated）是一家创新玻璃、陶瓷和相关材料的制造商，在研究不同类型玻璃的稳定性方面投入了大量资源。最近，康宁研究人员发现，了解玻璃材料中原子环的稳定性可以帮助他们预测玻璃产品的性能。这种性能很重要，因为最广泛使用的玻璃是硅酸盐玻璃，它由在三维空间中连接的不同大小的原子环组成。

中子散射实验(Neutron Scattering Experiments)

在美国能源部橡树岭国家实验室进行的中子散射实验中，ORNL和康宁的科学家们发现，随着玻璃中较小的、不稳定的原子环数量的增加，玻璃的不稳定性或液体脆弱性也会增加。中子实验的结果发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，揭示了硅酸盐玻璃的中程原子环结构与其液体易碎性之间的明确相关性。当液体玻璃冷却到玻璃化转变温度时，其粘度变化很大。较易碎的液体在给定的温度变化下粘度变化较大。原文详见：Ying Shi., Binghui Deng, Ozgur Gulbiten, Mathieu Bauchy, Qi Zhou, Jörg Neuefeind, Stephen R. Elliott, Nicholas J. Smith, Douglas C. Allan. Revealing the relationship between liquid fragility and medium-range order in silicate glasses. Nature Communications, 2023, 14, Article number: 13. DOI: 10.1038/s41467-022-35711-6. Published: 03 January 2023.

参与此项研究的有来自美国康宁公司科技部（Science and Technology Division, Corning Incorporated, Corning, NY, USA）、美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles, CA, USA）、美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA）以及英国牛津大学（University of Oxford, Oxford, OX1 3QZ, UK）的研究人员。

该研究论文的通讯作者、康宁研究助理石英(Ying Shi音译)说：“此前，驱动玻璃转变的机制一直困扰着科学家。对于为什么某些类型的玻璃固化得更快或更慢，还没有明确的认识。”

石英和她来自康宁、美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）和英国牛津大学（University of Oxford）的合作者，与ORNL散裂中子源（ORNL’s Spallation Neutron Source）的NOMAD中子衍射仪光束线科学家合作，研究了工业上常用的铝硅酸盐玻璃（aluminosilicate glass）。

RingFSDP的开发（Development of RingFSDP）

利用最近开发并经过验证的中子散射数据分析工具RingFSDP，该团队确定了收集数据中的关键模式，揭示了玻璃中液体易碎性与其原子环稳定性之间的关系。

RingFSDP是一个免费的开源程序，由康宁和ORNL的科学家开发，用于研究硅酸盐玻璃的原子环结构。根据中子衍射数据中第一个尖锐衍射峰的形状，导出了硅酸盐玻璃中的环尺寸分布。

该论文的合著者兼康宁研究员道格拉斯·艾伦（Douglas Allan）说：“将玻璃转变温度范围与玻璃的潜在结构特征联系起来，将对玻璃的设计和生产产生重大影响。我们的工作表明，玻璃的原子环结构与其玻璃化转变温度范围之间存在明显的相关性，因此这就是玻璃的性能特征。”

这项研究包括来自康宁公司科技部（Science and Technology Division at Corning）、加州大学洛杉矶分校土木与环境工程系非晶态和无机固体物理实验室（Physics of Amorphous and Inorganic Solids Laboratory in the Department of Civil and Environmental Engineering at the University of California, Los Angeles）、ORNL SNS中子散射部（Neutron Scattering Division at ORNL’s SNS）以及牛津大学物理与理论化学实验室（Physical and Theoretical Chemistry Laboratory at the University of Oxford）的研究人员。

本研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation under Grants No. CMMI-1762292 and DMR-1928538）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Despite decades of studies, the nature of the glass transition remains elusive. In particular, the sharpness of the dynamical arrest of a melt at the glass transition is captured by its fragility. Here, we reveal that fragility is governed by the medium-range order structure. Based on neutron-diffraction data for a series of aluminosilicate glasses, we propose a measurable structural parameter that features a strong inverse correlation with fragility, namely, the average medium-range distance (MRD). We use in-situ high-temperature neutron-scattering data to discuss the physical origin of this correlation. We argue that glasses exhibiting low MRD values present an excess of small network rings. Such rings are unstable and deform more readily with changes in temperature, which tends to increase fragility. These results reveal that the sharpness of the dynamical arrest experienced by a silicate glass at the glass transition is surprisingly encoded into the stability of rings in its network.