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美团队用锌及有机化合物打造出新型玻璃 柔韧性更高

2018-03-16 08:56
科技之窗
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传统的石英玻璃是由二氧化硅(SiO2)所制成的,而工业化还带来了运用硼、聚合物和金属等材料制成的各式玻璃,近期国外团队开发出一种由金属和有机化合物制成的全新玻璃类型「 ZIF-62」,这种新材料不仅比旧有类型更容易形成玻璃,同时也具有更高的柔韧性。

除了组成原子的区别,ZIF-62 与二氧化硅玻璃的四面体结构大致相同,中心的锌(zinc)原子被两种有机化合物围绕,这两种有机化合物分别是imidazolate和 benzimidazolate。

不论是哪种类型的玻璃,为了保持表面光滑,生产过程中都得非常谨慎保持平衡,多数材料必须在加热至熔化后迅速冷却,才能呈现非晶(Amorphous)的形式,而这种材料在焠火时形成玻璃的能耐便被称为「 玻璃形成能力」(glass-forming ability,GFA)。

团队在研究过程发现,随着加入的 benzimidazolate 越多,玻璃形成能力也就越好,截至目前为止,二氧化硅玻璃是已知具有玻璃形成能力的组成,但团队认为,ZIF-62 将会改写这项纪录,它已经超过了 50 种现有的玻璃类型, 甚至比硅基玻璃更柔韧。

尽管如此,ZIF-62 目前仍有一些问题需要解决。 现有玻璃的制作过程受益于数千年的改良,相较之下 ZIF-62 还处于研究的早期阶段,还无法与之竞争。

▲ 传统玻璃的制程已经经过多次改良。 (Source:pixabay)

为了制造这种新型态的玻璃,团队必须先合成有机化合物,然后将其与含水硝酸锌(hydrous zinc nitrate)和溶剂混合,接着加热到约 800°F(427°C)并维持一段时间才能完全熔化,但当温度达到 980°F(527°C)时,它则将会开始蒸发。

团队目前已经运用光谱学和 X 光观察了一些材料特性,也对 ZIF-62 的光学和机械性能进行了一些测量,其中一些测试还是在纽约康宁公司(Corning)完成,但目前仍有许多内容有待了解。

研究作者之一的 John C. Mauro 表示,这种材质的玻璃非常新颖,尽管他们已经确定了它的玻璃形成能力和一些能力,但我们还没有完全了解它所有的材料特性,“我们还需要研究如何将制作过程适用于量产。”

团队预计未来还将持续研究其他的金属有机玻璃配方,包括潜在的钴基玻璃(cobalt-based),这项研究目前已公布在《科学进展》(Science Advances)期刊中。(来源:technews)

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