Forskare öppnar ett nytt fönster till fysik av glasbildning

Forskning av ett internationellt team av forskare har kastat nytt ljus över förglasningsfysiken, den process genom vilken gl.

Kredit: University of Glasgow

Forskning utförd av ett internationellt team av forskare har kastat nytt ljus över förglasningens fysik, den process genom vilken glas bildas.

Deras resultat, som fokuserar på att analysera en gemensam egenskap hos glasögon som kallas toppbosonen, kan hjälpa till att bana väg för ny utveckling inom materialvetenskap.

Toppen kan ses i ett glas när specialutrustning används för att studera vibrationerna hos dess ingående atomer, där den når toppar i terahertzområdet. Bosontoppen ger också glasen en karakteristisk extra värmekapacitet jämfört med kristaller som är bildade av samma material.

De extra svaga vibrationerna av atomer eller molekyler som orsakar bosontoppen tros spela en roll i bildandet av ett glas eller en kristall av en kylvätska, men processen är fortfarande inte helt klarlagd. .

I en artikel publicerad i tidskriften Naturkommunikationforskare från Storbritannien, Slovenien och Japan förklarar hur de arbetade tillsammans för att analysera och modellera uppkomsten av bosontoppen i prover av tetrabutylortosilikat, en trögflytande vätska som inte kristalliserar och som används vid tillverkning av vissa typer av glas.

Professor Klaas Wynne, från University of Glasgow School of Chemistry, är en av motsvarande författare till artikeln. Professor Wynne sa: “Detta arbete hjälper till att främja vår förståelse av förglasning, som är ett hett ämne i fysiken för tillfället.

“När vätskor kyls snabbt kan de bilda glas eller kristaller, en dåligt förstådd men viktig process för applikationer.

“Glasögon kan tillverkas av en mängd olika material, och de används i alla möjliga branscher utanför den självklara glasapplikationen. Starka och flexibla metallglas används till exempel inom flyget och andra kan användas i mediciner där de kan hjälpa till att kontrollera hastigheten med vilken droger absorberas i kroppen.

“Men en process som kallas sekundär avslappning kan orsaka att kristaller bildas i glasen efter att de svalnat, ibland år senare. molekylära processer låt det hända och en bättre förståelse för hur glasögonformer kan hjälpa oss att göra bättre och säkrare glasögon i framtiden.”

“En av utmaningarna med att studera bosonspetsen är att den sker tillsammans med andra processer som vibrationer och molekylära rotationer, vilket gör det svårt att isolera och analysera. att undersöka hur bosonpiggen fungerar under olika förhållanden, med hjälp av en rad olika tekniker, för att hjälpa till att utöka vår förståelse av glasbildning.”

Forskarna valde att studera tetrabutylortosilikat, eller TBOS, eftersom dess molekylär struktur är symmetrisk, vilket gör det lättare att isolera toppbosonen från alla andra bidrag. De använde en uppsättning observationstekniker, inklusive Raman-spektroskopi, för att övervaka beteendet hos TBOS-molekyler när de kyldes från vätska till glas under en rad temperaturförhållanden.

De kunde för första gången se att när TBOS svalnar för att bilda ett glas, börjar det men fullbordar inte kristalliseringsprocessen, vilket ger nyckelinsikter i den molekylära processen med förglasning.

Vid sidan av de experimentella teknikerna genomförde forskare vid University of Warwick datorsimuleringar som kunde exakt reflektera labbobservationer och korrekt förutsäga beteendet hos TBOS när det förvandlas till glas.

Dr Gabriele Sosso, Institutionen för kemi, University of Warwick, är också motsvarande författare till uppsatsen. Dr Sosso tillade: “Symmetrin hos TBOS-molekylerna gav en unik möjlighet att koppla samman modellering och experiment.

“Under de senaste åren har vi lärt oss mycket om glasögon, till stor del genom datorsimuleringar av vad vi ofta kallar “enkla” modeller – tänk på tvådimensionella eller tredimensionella uppsättningar av sfäriska partiklar. Dessa enkla modeller är otroligt användbara för att reda ut krångligheterna med röriga system – TBOS är dock en helt annan best!Det var mycket givande att tillämpa det som samhället berättade om modellsystem på ett verkligt molekylärt glas som TBOS.

“Det faktum att bosontoppen i glasartad TBOS verkar komma från mycket specifika strukturella egenskaper är ett otroligt attraktivt perspektiv för datorsamhället. Jag, för en, ser fram emot att se hur dessa strukturella egenskaper skulle se ut i andra typer av molekylärer. glasögon – spännande tider framöver.”

Teamets artikel, med titeln “Understanding the emergence of boson peak in molecular glasses”, publiceras i Naturkommunikation.

Mer information:
Mario González-Jiménez et al, Förstå toppbosonuppkomsten i molekylära glasögon, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-35878-6

Tillhandahålls av
University of Glasgow


Citat: Forskare öppnar ett nytt fönster om glasbildningens fysik (2023, 24 januari) Hämtad 25 januari 2023 från https://phys.org/news/2023-01-scientists-window-physics-glass-formation .html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Utom för skäligt bruk för privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast för information.

Leave a Comment