Forskning publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences beskriver en ny typ av vätska i tunna filmer, som bildar ett glas med hög densitet. Resultat som genererades i denna studie, utförs av forskare vid Penns kemiska institution, visa hur dessa glasögon och andra liknande material kan tillverkas för att vara tätare och mer stabila, ger en ram för att utveckla nya applikationer och enheter genom bättre design.

Glas skapas vanligtvis genom stelning, eller faller ur jämvikt, av en vätska när den kyls till en temperatur där dess rörelse stoppas. Glasets struktur liknar vätskefasen, men dess egenskaper liknar fasta ämnen, besläktad med en kristall.

Glasögon som är gjorda till ultratunna, filmer i nanometer skala används i stor utsträckning i applikationer som OLED-skärmar och optiska fibrer. Men när dessa glasögon görs till tunna filmer, även vid kalla temperaturer beter de sig mer som en vätska, och det resulterande materialet kan vara benäget för droppbildning eller kristallisation, som begränsar storleken på de minsta funktioner som är möjliga.

För att göra bättre glasögon, forskare har använt ångavsättning istället för att kyla en vätska för att framställa ett glas. Vid ångavsättning, ett material ändras direkt från en gas till en fast substans. Även om denna metod har gjort det möjligt för forskare att skapa tätare typer av bulkglasögon, man trodde initialt att tunna glasfilmer tillverkade med denna metod fortfarande skulle ha samma vätskeliknande egenskaper som skulle leda till nedbrytning och instabilitet.

Men Yi Jin, en ny doktorsexamen examen som arbetade i labbet av Zahra Fakhraai, körde experiment och fann att detta faktiskt inte var fallet. "Yi fortsatte att upptäcka olika egenskaper, ingen av uppgifterna gav mening, och så grävde vi djupare tills vi hade tillräckligt med data för att sätta ihop en bild, säger Fakhraai.

Jin tillbringade flera år med detaljerade experiment, från att byta glasunderlag, egenskaper, och avsättningshastigheter för att säkerställa att all utrustning rengjordes noggrant för att utesluta förorening eller experimentfel.

Efter att ha kört alla kontrollexperiment som behövs, forskarna blev förvånade över att upptäcka att när man använder ångavsättning, de kunde komma åt en annan typ av vätska, med en fasövergång till den typiska bulkvätskan vid uppvärmning. En fasövergång är när ett material ändras från ett tillstånd (gas, flytande, eller fast) i en annan. "De två vätskorna har olika strukturer, besläktad med grafen och diamant som båda är fasta ämnen gjorda av kol men finns i mycket olika fasta former. "

"Det finns många intressanta fastigheter som kom från ingenstans, och ingen hade trott att du i tunna filmer skulle kunna se dessa faser, "säger Fakhraai." Det är en ny typ av material. "

Med hjälp av ångavsättning, forskarna kan skapa mycket täta tunnfilmsglasögon, motsvarande förpackningen av denna nya vätskefas, med en densitet mycket högre än vad som förutspås vara möjligt utan att påföra enorma mängder tryck. Tunna filmer av dessa glasögon kan ha täthetsvärden som är ännu högre än kristall.

För att bekräfta vad de såg, forskarna fick också detaljerad strukturell information som visar hur enskilda molekyler packas med hjälp av utrustning vid Brookhaven National Laboratory. Denna analys hjälpte forskarna att bekräfta att det de såg inte bara var en kristall utan istället en helt ny fas i glaset.

En annan hypotes baserad på de data de har samlat in hittills är att möjligheten att komma åt denna unika fas beror på glasets geometri, vilket innebär att detta arbete kan få konsekvenser även för andra typer av material. "Vi utvecklar material som försöker gå ner i skala, "säger Jin om sitt nuvarande arbete inom materialvetenskapsindustrin." Av vad vi ser i glasögon, det kan också finnas intressanta fenomen som kommer från andra material, som metalliska material som vanligtvis används i halvledare, till exempel."

Forskare i Fakhraais laboratorium arbetar redan med uppföljningsexperiment för att lära sig mer om de avgörande parametrarna som leder till denna unika fasövergång. Detta inkluderar att studera filmer under deponeringsprocessen och "zooma in" på fasövergångsregionen för att lära sig mer om detta nyupptäckta fenomen. Detta arbete är också avgörande för att få en bättre förståelse av glasögon som helhet, säger Fakhraai, där det fortfarande finns en koppling mellan teorier som kan ge en förutsägbar plattform för att utveckla nytt material i applikationer och ny teknik.

"För att förpacka Moderna eller Pfizer -vaccinerna, du behöver ett glas som kan bli riktigt lågt i temperatur och inte krossas, och det faktum att den tekniken existerar är ett utrop om hur väl vi kan konstruera bulkglasmekanik, "säger hon." Vår förhoppning är att denna grundläggande förståelse motiverar fler applikationer och en bättre förmåga att designa tunnfilmsglasögon med liknande förbättrade egenskaper. Om struktur-egendomsförhållandena förstås i tunna filmer, vi kan göra det bättre genom design. "