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日研發(fā)出具有橡膠特性的透明氧化物玻璃
導(dǎo)讀：柔韌的物質(zhì)能夠耐高溫，在工業(yè)和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，然而，用氧化物制成的玻璃在常溫下既硬又脆，容易破碎。來自東京工業(yè)大學(xué)和橫濱朝日玻璃有限公司的科學(xué)家們研發(fā)了一種新的氧化物玻璃——混合堿偏磷酸鹽玻璃，在過冷液體狀態(tài)下拉伸時的表現(xiàn)與普通玻璃*不同。
稻葉誠司、伊藤和細(xì)野秀雄研究發(fā)現(xiàn)氧化物玻璃在軟、長、直鏈分子結(jié)構(gòu)方面與有機(jī)橡膠擁有相似的結(jié)構(gòu)特征。偏磷酸鹽玻璃像橡膠一樣，在接近“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”（在這個溫度點上，玻璃的狀態(tài)會發(fā)生從過冷液體到固體的改變）時會發(fā)生擴(kuò)張和收縮。
研究人員對一個過冷狀態(tài)下的偏磷酸鹽玻璃進(jìn)行了拉伸實驗，這個玻璃是由包含鋰、鈉、鉀、銫和氧化磷的混合堿金屬制成的。當(dāng)進(jìn)行加熱和拉伸時，玻璃中的直鏈分子會變得具有高度的方向性，這時玻璃本身就變得和橡膠一樣。當(dāng)研究者將玻璃加熱到更高的溫度時，它的尺寸會收縮百分之十幾，然后回到其原來的無序分子狀態(tài)。這個屬性被稱為“熵彈性”——玻璃顯示出此特性。
這種橡膠狀的氧化物玻璃可以在高溫、氧化環(huán)境中得到應(yīng)用，這類環(huán)境有機(jī)聚合物橡膠是無法應(yīng)對的。研究團(tuán)隊已經(jīng)將成果發(fā)表在2014年12月2日《自然材料》的網(wǎng)絡(luò)版上。
圖2 各向異性和各向同性的玻璃模型對比稻葉誠司和他的研究團(tuán)隊用化學(xué)成分是Li0.25Na 0.25K 0.25Cs 0.25PO3混合堿金屬偏磷酸鹽玻璃進(jìn)行了實驗。這種氧化物玻璃是各向同性的，在室溫下既硬又脆，容易破碎，和普通玻璃是一樣的。然而，當(dāng)它被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)化溫度Tg時，然后冷卻進(jìn)入拉伸狀態(tài)，玻璃就變成各向異性（晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同）。
當(dāng)偏磷酸鹽玻璃在Tg附近進(jìn)行熱處理時，它縮小了35%，但體積并沒有改變。此外，雖然許多材料如普通玻璃，陶瓷，金屬，當(dāng)受熱收縮時是放熱的，但該團(tuán)隊開發(fā)的玻璃的在受熱收縮時是吸熱的。
偏磷酸鹽玻璃，其結(jié)構(gòu)類似于有機(jī)橡膠，表現(xiàn)出氧化物玻璃從未有過的一定程度的收縮性。而且由于其直鏈方向性和收縮后能恢復(fù)到初始結(jié)構(gòu)，這些都顯示它的各向異性。
這項研究展示了氧化物玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如何使得它們在室溫下硬脆、容易破碎，而在高溫情況下卻能表現(xiàn)出橡膠一樣的拉伸性能。結(jié)果表明，這種玻璃可以在高溫、氧化環(huán)境中得到應(yīng)用，這類環(huán)境中不能使用有機(jī)聚合物橡膠。進(jìn)一步的研究可能會提高這種橡膠狀氧化物玻璃的性能，并促進(jìn)這類玻璃科學(xué)研究的發(fā)展。
(來源：科技日報)
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