ZIF glasögon, en ny familj av glas, skulle kunna kombinera genomskinligheten hos silikatglas med den icke-spröda kvaliteten hos metalliskt glas, enligt forskare vid Penn State och Cambridge University i Storbritannien.

"Vi är säkra på öppenheten, sade John Mauro, professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State. "Vi måste vänta tills större prover kan göras för att veta om det har den fantastiska duktiliteten hos metalliskt glas, men det ser lovande ut."

Den senaste klassen av glasbildande material, zeolitiska imidazolat ramverk (ZIF), har en struktur där metalljoner är kopplade av organiska ligander. Vid uppvärmning inom ett begränsat intervall av höga temperaturer, vissa ZIF-material kommer att smälta och omvandlas till en glasartad struktur där atomerna har en oordnad struktur. Utöver potentialen hos ett transparent och mycket mer böjbart glas, vissa ZIF innehåller ett stort antal funktionella porer som kan användas för gaslagring - metallorganiska ramverk har föreslagits som burar för vätgaslagring för bränslecellsfordon, katalys, gasseparation eller till och med läkemedelstillförsel.

"ZIF är så nytt att folk bara upptäcker vilka kemier som bildar glasögon, "Mauro sa." Målet med vår grupp är att påskynda utformningen av dessa nya glasögon genom modellering. "

I två senaste tidskriftsartiklar, Mauro och kollegor använde olika modelleringsmetoder för att fördjupa förståelsen och förutsäga egenskaperna hos ZIF-glasögon. Den första modelleringsmetoden, ReaxFF, utvecklades av Adri van Duin, professor i maskinteknik vid Penn State, som är medförfattare till båda artiklarna. ReaxFF är en beräkningssnabb och ekonomisk metod för att simulera smältning och reformering av kandidatmaterial.

"Det är svårt att simulera dessa system eftersom modellerna vanligtvis är utvecklade för antingen organiska system eller oorganiska system, men inte båda, sa Yongjian Yang, Mauros postdoktor och huvudförfattare på båda artiklarna. "Plus, till skillnad från ReaxFF, andra modeller tillåter inte bindningsbrytningen och reformeringen som sker vid glasformning."

Yang tillade att användningen av ReaxFF minskar tiden som krävs för att utföra simuleringar till några timmar snarare än de flera dagar det skulle ha tagit med kvantemekanikmetoder.

I den senaste tidningen, publiceras i Journal of Physical Chemistry Letters , forskarna använde en annan modelleringsmetod som ursprungligen utvecklades för en annan klass av glasögon som kallas kalkogenidglas.

"James Phillips föreslog att vi kan tänka på glasögon på samma sätt som en civilingenjör skulle tänka på att designa en fackverkskonstruktion som i en bro eller Eiffeltornet, sa Mauro.

Phillips, som var på Bell Labs vid den tiden och nu är vid Rutgers University, föreslog en metod för att optimera glas baserat på frihetsgraderna för atomerna jämfört med antalet stela bindningar till andra atomer. När banden är lika med frihetsgraderna – förmågan att röra sig uppåt, nedåt eller i sidled – systemet är vanligtvis i det optimala tillståndet för att bilda ett stabilt glas.

Mauro, som var på Corning Incorporated, och Prabhat Gupta, i Ohio State, utvidgade teorin till att utveckla vad som kallas temperaturberoende begränsningsteori, som står för bindningsbrytning vid hög temperatur, och utökade också teorin till att göra kvantitativa förutsägelser av glasegenskaper.

"Eftersom vår teori är baserad på räkning av bindningar och atomer, det är något som kan lösas med penna och papper, ", sa Mauro. "Vi kan göra exakta förutsägelser av egenskaper som glashårdhet, elasticitetsmodul, viskositet och glasets övergångstemperatur."

Även om deras teori, formulerades 2008, har använts framgångsrikt på många oxidglassystem och används i formuleringen av industriella glaskompositioner, detta papper är första gången det har applicerats på ZIF:s metallorganiska glassystem.

Thomas Bennett vid Cambridge University leder den experimentella delen av arbetet, inklusive syntesen av ZIF-prover, som för närvarande bara är millimeter stora.

"Det finns många utmaningar som fortfarande måste lösas, "Sade Mauro. "Vi hoppas kunna använda dessa modelleringsmetoder för att förutsäga glasögon som vi kan använda för att öka till industriell skala och sedan kommersialisera. Skulle det inte vara bra att ha ett glas som är både optiskt transparent och mekaniskt formbart?"