Glas används i ett bredare utbud av högpresterande applikationer, inklusive de för konsumenter och industri, militär och rymdelektronik, beläggningar och optik. På grund av den extrema precision som krävs för användning i produkter som mobiltelefoner och jetflygplan, får glassubstrat inte ändra form under tillverkningsprocessen.

Corning Incorporated, en tillverkare av innovativt glas, keramik och relaterade material, investerar en enorm mängd resurser på att studera stabiliteten hos olika typer av glas. Nyligen fann Corning-forskare att förståelse av stabiliteten hos atomringarna i glasmaterial kan hjälpa dem att förutsäga prestanda hos glasprodukter. Denna förmåga är viktig eftersom det mest använda glaset är silikatglas, som består av olika storlekar av atomringar kopplade i tre dimensioner.

Genom att genomföra neutronspridningsexperiment vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory upptäckte forskare från ORNL och Corning att när antalet mindre, mindre stabila atomringar i ett glas ökar, ökar också glasets instabilitet eller vätskebräcklighet.

Resultaten av neutronexperimenten, publicerade i Nature Communications , avslöjar en tydlig korrelation mellan atomringstrukturen på medellång räckvidd hos ett silikatglas och dess vätskebräcklighet. Viskositeten hos det flytande glaset ändras avsevärt när det kyls till glasövergångstemperaturen. En mer ömtålig vätska kommer att ha en större viskositetsförändring med en given temperaturförändring.

"Tidigare hade mekanismen som driver glasövergångar undgått forskarna", säger Ying Shi, motsvarande författare till studiens papper och forskningsassistent vid Corning. "Det fanns ingen klar förståelse för varför vissa typer av glas stelnade snabbare eller långsammare."

Shi och hennes medarbetare från Corning, University of California, Los Angeles och University of Oxford arbetade med NOMAD neutrondiffraktometer strållinjeforskare vid ORNL:s Spallation Neutron Source för att studera aluminiumsilikatglas, som vanligtvis används av industrin.

Med hjälp av ett nyligen utvecklat och validerat analysverktyg för neutronspridningsdata, RingFSDP, identifierade teamet nyckelmönster i den insamlade informationen som avslöjade sambandet mellan vätskebräckligheten i glaset och dess atomringstabilitet.

RingFSDP är ett gratis program med öppen källkod utvecklat av forskare från Corning och ORNL för att studera de atomära ringstrukturerna hos silikatglas. Den härleder ringstorleksfördelningar i silikatglas från formen av den första skarpa diffraktionstoppen i neutrondiffraktionsdata.

"Att koppla glasövergångstemperaturintervallet till underliggande strukturella egenskaper hos ett glas kommer att ha en betydande inverkan på glasdesign och produktion", säger Douglas Allan, tidningens medförfattare och en forskare vid Corning. "Vårt arbete visar en tydlig korrelation mellan den atomära ringstrukturen hos ett glas och dess glasövergångstemperaturområde och därför glasets prestandaegenskaper."

Mer information: Ying Shi et al, Avslöjar sambandet mellan vätskebräcklighet och medelavståndsordning i silikatglas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-022-35711-6

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory