Glasögon är allmänt förekommande material som finns i byggmaterial, dryckesbehållare, mjuk elektronik och mobiltelefonskärmar. Skapandet av naturligt tätt och styvt glas sker genom en process som kallas åldrande. Det innebär en långsam omvandling som kan äga rum under årtusenden till hundratals miljoner år och kännetecknas av den gradvisa förtätningen och stelningen av en vätska som kyls under dess smältpunkt.
Men 2007 fann forskare att stabila glas också kan tillverkas genom att kondensera materialet från ångfasen, med en process som kallas fysisk ångavsättning. Ångdeponering gör att molekyler som precis har anlänt till ytan kan packas bättre, vilket ger bättre åldrade glasögon.
Nu har ett team av forskare ledda av Zahra Fakhraai från University of Pennsylvania's School of Arts &Sciences, i samarbete med forskare vid Brookhaven National Laboratory, upptäckt en metod för att ytterligare påskynda denna åldrandeprocess och omdefiniera de grundläggande principerna som har väglett bildning av stabilt glas. Deras resultat publiceras i tidskriften Nature Materials .
"Vad vi upptäckte, ganska paradoxalt nog, är att genom att använda ett mjukt, mer flexibelt substrat under vår ångavsättningsprocess, kan vi göra styvare och tätare glas än tidigare gjort," säger Fakhraai. "Dessa fynd erbjuder ett nytt sätt att exakt konstruera glasfilmer och banar väg för att göra hållbara material mycket snabbare."
Upptäckten kom till slumpmässigt när Peng Luo, en postdoktor i Fakhraai-gruppen, uppmuntrades att experimentera med mjuka substrat för glasavsättning, främst som en kuriosa, "för att se om mjukare substrat skulle orsaka skada på materialet", säger han. "Men det vi såg var glas som uppvisade egenskaper som om det åldrades i många miljoner år, långt över vad som kan ses på metoder som använder traditionella styva substrat."
Luo förklarar att tidigare studier använde avsättningshastighet och substrattemperatur för att kontrollera sammansättningen av ytmolekylerna efter att de landat på substratet, och att vid lämpliga temperaturer, ju långsammare avsättningshastigheten, desto mer tid kommer de landade molekylerna att behöva anpassa sig till. mot en mer stabil struktur innan de blir begravda och "frysta" av de inkommande molekylerna.
"Det är i grunden en "självmontering" av ytmolekylerna på ett sätt som bestäms av deras egen rörlighet vid en viss temperatur, och vi har inte så mycket kontroll över hur långsamt vi kan deponera, säger han. "Vår upptäckt att ett mjukt substrat kan göra den avsatta glasfilmen tätare indikerar att substratelasticiteten kan påverka sammansättningsprocessen för ytmolekylerna, och därför kan detta användas som en ny dimension för att kontrollera strukturen och egenskaperna hos glasfilmer i ett mycket större utbud som inte var tillgängligt tidigare."
Genom att använda mjuka substrat som polydimetylsiloxan visade teamet att det är möjligt att avsevärt påskynda stabil glasbildning genom att tillverka ett material med en 2–2,5 % högre densitet än konventionella vätskekylda glas och så mycket som 1 % större än någon annan rapporterat stabilt glas.
Luo tillägger att ett annat anmärkningsvärt fynd är att molekylen de deponerade bara är en nanometer lång; under avsättningen kan emellertid ytjämviktsprocesserna påverkas av det mjuka substratet över ett avsevärt avstånd, uppmätt till cirka 200 nanometer. Detta avstånd är anmärkningsvärt eftersom det vida överstiger vad som skulle förväntas baserat på nuvarande glasteorier, vilket utgör en utmaning för befintlig förståelse.
"Denna effekt kan liknas vid att spela en omgång telefon i en auditorium fullpackad med 200 personer, men på något sätt, ganska mystiskt, kommuniceras budskapet perfekt utan avbrott", säger Fakhraai. "Det mjuka underlagets inflytande över ett så stort avstånd tyder på en form av långdistanskommunikation eller interaktion på ytan, som inte är helt förstådd och något vi är intresserade av att utforska i framtida forskning."
Mer information: Peng Luo et al, stabila glas med hög densitet formade på mjuka underlag, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01828-w
Tillhandahålls av University of Pennsylvania
