UCLAs mekaniska ingenjörer och materialforskare har utvecklat en process som använder nanopartiklar för att stärka glasets atomära struktur. Resultatet är en produkt som är minst fem gånger segare än något glas som finns tillgängligt för närvarande.

Processen kan ge glas som är användbart för industriella applikationer - i motorkomponenter och verktyg som tål höga temperaturer, till exempel – såväl som för dörrar, bord och andra arkitektoniska och designelement.

Studien publicerades online i tidskriften Avancerade material och kommer att ingå i en framtida tryckt upplaga. Författarna skrev att samma tillvägagångssätt också kan användas för tillverkning av tuffare keramik som kan användas, till exempel, i rymdfarkostkomponenter som bättre tål extrem värme.

Inom materialvetenskap, "seghet" mäter hur mycket energi ett material kan absorbera - och hur mycket det kan deformeras - utan att spricka. Medan glas och keramik kan förstärkas med externa behandlingar, som kemiska beläggningar, dessa tillvägagångssätt förändrar inte det faktum att materialen i sig är spröda.

För att lösa det problemet, UCLA-forskarna tog en ledtråd från metallernas atomära struktur, som kan ta ett dunk och inte gå sönder.

"De kemiska bindningarna som håller ihop glas och keramik är ganska stela, medan bindningarna i metaller tillåter viss flexibilitet, " sa Xiaochun Li, Raytheon professor i tillverkning vid UCLA Samueli School of Engineering, och studiens huvudutredare. "I glas och keramik, när effekten är tillräckligt stark, en spricka kommer att fortplanta sig snabbt genom materialet i en mestadels rak bana.

"När något träffar en metall, dess mer deformerbara kemiska bindningar fungerar som stötdämpare och dess atomer rör sig samtidigt som de håller ihop strukturen."

Forskarna antog att genom att infundera glas med nanopartiklar av kiselkarbid, en metallliknande keramik, det resulterande materialet skulle kunna absorbera mer energi innan det skulle misslyckas. De lade till nanopartiklarna i smält glas vid 3, 000 grader Fahrenheit, vilket hjälpte till att säkerställa att nanopartiklarna var jämnt spridda.

När materialet stelnat, de inbäddade nanopartiklarna kan fungera som vägspärrar för potentiella sprickor. När en fraktur inträffar, de små partiklarna tvingar den att förgrena sig till små nätverk, istället för att låta den ta en rak väg. Denna förgrening gör att glaset kan absorbera betydligt mer energi från en spricka innan det orsakar betydande skada.

Sintring, där ett pulver upphettas under tryck, och sedan kyldes, är den huvudsakliga metoden som används för att göra glas. Det var också den metod som användes i tidigare experiment av andra forskargrupper för att sprida nanopartiklar i glas eller keramik. Men i dessa experiment, nanopartiklarna spreds inte jämnt, och det resulterande materialet hade ojämn seghet.

Glasblocken som UCLA-teamet utvecklade för experimentet var något mjölkiga, snarare än tydligt, men Li sa att processen kunde anpassas för att skapa klart glas.