環(huán)球時訊：科學(xué)家讓玻璃“返老還童”
從高聳入云的摩天大樓，到小巧精致的計時腕表，玻璃的身影在生活中處處可見。
全國兩會召開前，全國人大代表、中國工程院院士、中國建材集團總工程師、中建材玻璃新材料研究總院院長彭壽接受記者采訪時說，要大力推動玻璃工業(yè)節(jié)能降碳，讓中國的玻璃行業(yè)“向綠而行”。
事實上，玻璃不僅要“向綠而行”，也有望“返老還童”——隨著服役時間增加，玻璃會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，并通常伴隨著物理、力學(xué)等性能的劣化。如何使老化的玻璃態(tài)物質(zhì)“返老還童”，恢復(fù)性能，近年來得到科學(xué)界越來越多的關(guān)注。
(資料圖片)
2022年底，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蔣敏強團隊通過研究，揭示了嚴重老化的金屬玻璃的年輕化新機制，加深了對玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的理解，相關(guān)研究成果發(fā)表在由國家自然科學(xué)基金委員會主管、主辦的多學(xué)科英文期刊《基礎(chǔ)研究》（Fundamental Research）。
玻璃老化：從無序向有序緩慢轉(zhuǎn)變
要讓玻璃“返老還童”，首先要理解玻璃是如何“變老”的。
蔣敏強介紹，從微觀上看，玻璃是一種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。他給記者舉了一個例子：在鋼鐵等晶態(tài)固體中，原子如同安靜地坐在教室里上課的學(xué)生，排列井然有序，呈現(xiàn)出規(guī)則形態(tài)。而在玻璃這一無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體中，原子就好比下課后的學(xué)生一樣，在校園里四處亂跑，排列上呈現(xiàn)出無序狀態(tài)。
玻璃老化這一現(xiàn)象，從本質(zhì)上看便是玻璃從初始形成時的無序狀態(tài)，向有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。“一般來說，無序狀態(tài)下物質(zhì)的總能量較高，而在有序狀態(tài)下，物質(zhì)的總能量較低。隨著時間的推進，玻璃會逐漸從高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這個過程一般被稱為玻璃老化。”蔣敏強解釋，如果老化時間足夠長，或者通過升溫加速老化，玻璃甚至可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?guī)則結(jié)構(gòu)的固態(tài)晶體。
玻璃老化會影響玻璃的韌性、光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性能等許多屬性，是人們想要極力延緩甚至避免的一種現(xiàn)象。因此，作為逆轉(zhuǎn)玻璃老化的過程，玻璃年輕化長期以來受到科研人員的廣泛關(guān)注。
“玻璃年輕化即玻璃老化的反過程，也就是讓老化后原子變得相對有序的玻璃慢慢重新回歸原子相對無序的狀態(tài)。”蔣敏強說。在此前關(guān)于玻璃年輕化的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，年輕化的玻璃在被加熱到一定溫度時會釋放出一部分熱焓，且玻璃的年輕化程度越高，在加熱中釋放的熱焓就越多。熱焓是表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個重要狀態(tài)參量。通俗地說，熱焓是年輕化的玻璃在加熱過程中釋放出的能量。
“我們的研究認為，上述觀點并不適用于嚴重老化的玻璃。嚴重老化的玻璃隨著年輕化程度的提高，其熱焓的放出并無變化，甚至完全沒有熱焓放出。”蔣敏強團隊的研究表明，此前關(guān)于玻璃老化機制的觀點并不適用于嚴重老化的玻璃，更新了人們對玻璃結(jié)構(gòu)年輕化機制的理解。
“無心插柳”：研究結(jié)果出人意料
“其實此次研究的突破，源于我們研究團隊一次‘無心插柳’的嘗試。”蔣敏強說，此次實驗的最初目的只是制備實驗樣品。“我們團隊原本是為了做另一個實驗而制備樣品。為了加強實驗的科學(xué)性，需要消除樣品的熱歷史，保證它們結(jié)構(gòu)一致。我們對玻璃樣品進行低溫退火操作——將金屬玻璃緩慢加熱到一定溫度并保持足夠時間，然后以一定速度冷卻到室溫。”隨后，研究團隊通過力學(xué)變形對這批處于嚴重老化狀態(tài)的玻璃進行年輕化處理。結(jié)果出人意料——“我們明明通過力學(xué)做功向玻璃輸入了能量，為何這些玻璃沒有釋放出熱焓，變得年輕化呢？”這與此前的主流觀點可謂是背道而馳。
這個結(jié)果讓研究團隊陷入疑惑。為了解開謎團，除了測量熱焓之外，研究團隊還測量了玻璃樣品的高溫（450K—750K）和低溫（1.9K—100K）比熱，進而考察玻璃的原子振動信息和拓撲結(jié)構(gòu)信息。“在實驗過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，盡管在一些情況下玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變前的熱焓釋放這一參數(shù)保持不變，但玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的有效熱焓變化以及低溫比熱所體現(xiàn)出的原子振動玻色峰這兩個物理量卻會隨之改變。”蔣敏強進一步解釋，“這表明，熱焓釋放并非唯一反映玻璃年輕化的物理量。”
談到熱焓釋放為何保持不變時，蔣敏強再次用生動的例子解釋：“如果我們將一個小球放在‘凹’字形平面的凹處，這個小球自然會保持原地靜止。這種穩(wěn)定的狀態(tài)就好比嚴重老化的玻璃。而假如我們把這個‘凹’字形平面傾斜一些角度，雖然凹處的高度，也就是玻璃態(tài)物質(zhì)的能量水平幾乎保持不變，但小球所代表的玻璃狀態(tài)會變得不穩(wěn)定，進而出現(xiàn)了玻璃年輕化現(xiàn)象。”
研究結(jié)果表明，除了此前的主流觀點指出的，玻璃年輕化可以直接體現(xiàn)在熱焓的釋放，也就是能量水平的提高上，還可以體現(xiàn)為能量面的傾斜，也就是通過局域結(jié)構(gòu)重排使自由體積在空間內(nèi)重新分布。“這也就是我們發(fā)現(xiàn)的嚴重老化的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機制。”蔣敏強表示。
拓展場景：提供廣闊應(yīng)用空間
此次研究還發(fā)現(xiàn)，隨著玻璃進入穩(wěn)定流動狀態(tài)，上述表征年輕化的三個物理參數(shù)都會各自趨于飽和值，從而首次在實驗上確定玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的上限是“凍結(jié)”的穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)。
如果用水來類比，在高溫中形成液體的玻璃就好比水，而低溫固體化的玻璃則好比冰。“玻璃結(jié)構(gòu)年輕化的極限，就是通過極速降溫使高溫玻璃液體突然凍結(jié)，從而形成類似‘凍住的流水’的物質(zhì)狀態(tài)。”蔣敏強解釋，“在這種情況下，玻璃會在固態(tài)外表下，保持與液體狀態(tài)幾乎相同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，其流動性會達到目前認識中的極限。”
此次研究揭示的玻璃態(tài)物質(zhì)年輕化新機制，除了讓我們更好地從物理本質(zhì)上理解玻璃老化的相關(guān)成因、過程之外，在推動老化玻璃批量返新方面，也有著巨大的潛在應(yīng)用空間。“研究團隊目前正在與從事玻璃生產(chǎn)或研發(fā)的企業(yè)交流，力圖尋找推動技術(shù)走向市場的良好結(jié)合點。”
除此之外，蔣敏強還發(fā)現(xiàn)，此次研究揭示的新機制也有望應(yīng)用在制備先進金屬材料上。
“通常來說，金屬材料的強度與韌性二者不可得兼。隨著強度的提升，韌性就會降低，反之亦然。”蔣敏強表示，“如何克服這一固有的倒置關(guān)系，是制備兼具強度與韌性的先進金屬材料必須面對的問題。”
高強度的金屬材料，其微觀層面上的總能量水平一般是非常低的。如果通過加溫等方法輸入能量，嘗試通過提高總能量水平來提升金屬材料的韌性，往往需要極高的能量投入，而這幾乎不可能達成。
“假如我們能利用此次研究發(fā)現(xiàn)的新機制，在總能量水平較低時調(diào)整金屬材料的能量面角度，就能在保持宏觀上強度不變的前提下，提升原子的無序性，從而增強金屬材料的韌性。通過這種方法，我們可以有效避免巨額的能量輸入，極大地降低高強韌金屬材料制備的成本。”蔣敏強表示，目前他的團隊正在持續(xù)進行嘗試，力爭取得決定性的突破，為解決長期以來金屬材料強度與韌性之間不可調(diào)和的矛盾提供新思路。
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