Международная команда исследователей разработала новое семейство стекол на основе металлов и органических соединений.
Люди делают стекло из диоксида кремния с древних времен. Индустриализация привела к созданию боратных стекол, полимерных и металлических стекол, но теперь международная команда исследователей разработала новое семейство стекол на основе металлов и органических соединений.
Стеклообразующая способность - это способность жидкости избегать кристаллизации при охлаждении.
«Стекло представляет собой жидкость, превращенную в твердый материал в некристаллической форме», - сказал Джон К. Мауро, профессор материаловедения и инженерии, штат Пенсильвания. «Механически оно ведет себя как твердое тело, но при этом находится где-то между жидкостью и твердым телом».
Ключом к изготовлению стекла является расплавление исходных материалов, а затем охдаждение их каким-то способом, чтобы при этом не образовывались кристаллы. Один из способов сделать это - быстрое охлаждение. Это сокращает время, необходимое для образования кристаллов из-за быстрого падения температуры.
Кварцевое стекло имеет тетраэдрическую структуру с кремнием в центре и четырьмя атомами кислорода в углах.
Металлоорганическое стекло, которое исследователи производили, заменяет кремний на цинк, но использует два близких по составу, но все же разных органических соединения на углах - имидазолат и бензимидазолат. Эти органические молекулы случайным образом заменяют атомы кислорода на углах тетраэдра.
Кварцевое стекло имело лучшую стеклообразующую способность из всех стекол, пока исследователи не синтезировали металлоорганическое стекло ZIF-62 на основе цинка, сообщают исследователи в Science Advances. Они заметили, что чем больше бензимидазолата, включенного в металл / органический каркас, тем лучше способность к образованию стекла. Более вязкие жидкости с самыми объемными лигандами, как правило, лучше всего сопротивляются кристаллизации.
Структура ZIF-62, показывающая тетраэдрическую структуру в двух измерениях.
Изображение: Ang Qiao / Penn State
ZIF-62 имеет лучшую стеклообразующую способность 50 существующих стекол, а в то время как стандартное кварцевое стекло является хрупким, металлоорганическое стекло гораздо более гибкое.
Органическое стекло на основе цинка сложнее производить, чем кварцевое стекло, потому что сначала необходимо синтезировать органические соединения имидазолата и бензимидазолата, смешанные с нитратом водного цинка и растворителем. Затем смесь плавится при температуре около 430 градусов по Цельсию.
Температура важна, потому что смесь должна полностью расплавиться, но не достигнуть приблизительно 526 градусов по Фаренгейту, после чего расплавленное стекло испарится.
Исследователи рассмотрели некоторые свойства материалов, используя различные спектроскопические подходы и рентгеновскую дифракцию. Они также измеряли механические свойства расплавленного стекла и оптическую передачу.
«Это семейство стекол настолько новое, что, хотя мы определили его способность к образованию стекла и несколько других свойств, мы не полностью охарактеризовали все его свойства», - сказал Мауро. «Также должны быть произведены исследования о том, как расширить процесс производства этого стекла».
Исследователи также хотели бы использовать другие комбинации, чтобы сделать разные стекла. Они планируют исследовать стекло на основе кобальта.
Источник: http://news.psu.edu/story/509446/2018/03/09/research/metal-organic-compounds-produces-new-class-glass