科学家发明韧性超强的新型氧化物玻璃

科学家发明韧性超强的新型氧化物玻璃在许多方面，玻璃都是现代技术中极具吸引力的材料。然而，玻璃固有的脆性使其容易出现裂缝和断裂，从而限制了其潜在的应用领域。为了在保留玻璃的优势特性的同时大幅提高其韧性，相关研究在很大程度上都未能取得预期成果。创新方法和工艺科学杂志《自然-材料》（NatureMaterials）上介绍的新方法从氧化物玻璃入手，这种玻璃具有相当紊乱的内部结构，是商业应用最广泛的玻璃材料。以含有硅、铝、硼和氧的硅酸铝为例，德国和中国的研究团队现已成功赋予其新的结构。为此，他们在拜罗伊特大学巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所（BGI）采用了高压和高温技术。玻璃状（左）和准晶状（右）毛玻璃的模拟结构。氧、硅、铝和钙元素的原子（从小到大）在周围结构中的有序程度越高，颜色越浅。图片来源：HuTang在10到15千兆帕的压力和大约1000摄氏度的温度下，硅、铝、硼和氧原子聚集在一起，形成类似晶体的结构。这些结构被称为"准晶体"，因为它们与完全不规则的结构差别很大，但它们并不接近晶体的清晰规则结构。利用光谱技术进行的经验分析和理论计算都清楚地显示了这种介于晶体结构和无定形不规则结构之间的中间状态。副结晶的影响即使将压力和温度降至正常环境条件下，铝硅酸盐玻璃中的副晶体结构依然存在。这些结构渗入玻璃后，玻璃的韧性比副结晶化之前高出许多倍。现在的韧性值高达1,99±0,06MPa(m)¹/²。这是氧化物玻璃前所未有的韧性。同时，玻璃的透明度并没有受到副晶结构的严重影响。该研究的第一作者HuTang博士在巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所(BGI)的高压压力机前。图片来源：UBT/Chr.研究人员解释说，玻璃的超常强化是由于从外部作用于玻璃的力，通常会导致玻璃破裂或内部裂缝，而现在主要是针对准晶体结构。它们溶解了这些结构的部分区域，并将它们变回无定形的随机状态。这样，玻璃作为一个整体就获得了更大的内部可塑性，因此在受到这些甚至更强的外力时也不会破裂或开裂。未来展望新研究的第一作者HuTang博士说："我们的发现强调了一种开发高耐受性玻璃材料的有效策略，我们计划在未来几年内继续开展这方面的研究。""副结晶导致的韧性增加表明，原子层面的结构变化会对氧化物玻璃的性能产生重大影响。"巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所的TomooKatsura教授博士补充说："在这个层面上，玻璃作为一种远未枯竭的材料，具有优化的巨大潜力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379727.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379727.htm

研究人员拥玻璃涂层加固DNA 新材料强度是钢的4倍

研究人员拥玻璃涂层加固DNA新材料强度是钢的4倍虽然DNA因其密集的数据存储特性而闻名，但作为一种纳米级建筑材料，它也可以大有作为。它可以拉伸或皱缩，甚至可以自我组装成各种形状。另一方面，玻璃看似易碎，但其破碎倾向通常来自裂缝等缺陷--无瑕疵的玻璃可以坚固得令人难以置信。有趣的是，小块玻璃几乎总是完美无瑕的。新研究的研究人员正是利用了这一点。他们首先利用DNA进行编程，使其自我组装成格子状。然后将其涂在玻璃材料上，形成只有几百个原子厚的玻璃层。最终的结果是涂有玻璃的DNA细链，这种DNA细链在两种材料的支持下获得了强度，而且重量很轻，因为这些DNA细链形成了一个包围着大部分空隙的框架。上图：DNA如何自组装成晶格形状的示意图。下图：材料在不同放大倍数下的显微镜图像/康涅狄格大学科学家们在测试中发现，他们的玻璃DNA纳米晶格材料的抗压强度高达5千兆帕斯卡（GPa），这种强度是钢的四倍，但密度只有钢的五分之一。该研究的共同通讯作者Seok-WooLee说："在给定的密度下，我们的材料是已知强度最高的。"研究小组的下一步工作是对配方进行实验，包括尝试不同的DNA结构，以及将玻璃换成碳化物陶瓷等材料，看看能否使其更加坚固。该研究的共同通讯作者奥列格-刚（OlegGang）说："利用DNA创建设计好的三维框架纳米材料并使其矿化的能力，为工程力学性能带来了巨大的机遇。但在将其作为一项技术加以应用之前，我们仍需开展大量研究工作。"这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373147.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373147.htm

新型材料LionGlass强度是普通玻璃的10倍 生产过程更环保

新型材料LionGlass强度是普通玻璃的10倍生产过程更环保从窗户到水杯，最常用的玻璃形式在技术上称为钠钙硅酸盐玻璃。制造这种常见材料需要温度高达1500°C(2732°F)的熔炉，这当然会消耗大量能源，并向大气中释放大量二氧化碳。最重要的是，这种玻璃由石英砂、纯碱和石灰石制成，后两者在熔化时都会释放二氧化碳。现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员改进了玻璃的配方，使其生产起来更加环保，同时也更加坚固。该团队将这种新型玻璃组合物系列称为“LionGlass”，通过将纯碱和石灰石替换为氧化铝或铁化合物，获得了新的功能。二氧化硅含量可以从40%到90%（按重量计）变化。更换碳酸盐不仅可以减少熔化过程中的直接排放，还可以将所需温度降低高达400°C(720°F)。这反过来又减少了约30%的能源消耗，从而减少了排放。更好的是，LionGlass的某些成分被发现具有比标准钠钙玻璃至少高10倍的抗裂性。该团队在维氏金刚石压头下测试了样品，发现即使在1千克（2.2磅）的力载荷下，玻璃也不会破裂-相比之下，普通玻璃在仅0.1千克（2.2磅）的载荷下就会开始破裂（0.2磅）。LionGlass的抗裂性可能比这个更高，但这是测试设备所能达到的最高水平。“我们不断增加LionGlass的重量，直到达到设备允许的最大负载，结果发现它根本不会破裂。”该项目研究员尼克·克拉克(NickClark)说。该团队表示，LionGlass的好处在现实世界中可以成倍增加。由于其强度较高，用该材料制成的产品可以更薄、更轻。“我们应该能够减少厚度，同时仍然获得相同水平的抗损伤能力，”该项目的首席研究员约翰·毛罗（JohnMauro）说。“如果我们生产出重量更轻的产品，那对环境就更好了，因为我们使用的原材料更少，生产所需的能源也更少。即使在下游，对于运输而言，这也减少了运输玻璃所需的能源，因此这对每个人来说都是双赢的局面。”该团队已为LionGlass申请了专利，并希望能够尽快将其推向市场。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368893.htm

中国科学家制造出阻燃、抑烟和超疏水透明竹材

中国科学家制造出阻燃、抑烟和超疏水透明竹材科学家用化学方法去除木纤维中的木质素，然后用有机玻璃或环氧树脂处理剩余材料。最终得到的材料是透明的、可再生的、与玻璃一样结实或比玻璃更结实，同时重量更轻、隔热性更好。不过，使用木材还是有一些问题。木材比玻璃更易燃，而且需求量大，需要很长时间才能补充库存。因此，在这项新研究中，中国中南林业科技大学（CSUFT）的研究人员转而使用竹子。竹子通常被称为'第二森林'，它的生长和再生速度极快，可以在四到七年的生长期内成熟并用作建筑材料，"该研究的通讯作者万才超说。"竹子的亩产量是木材的四倍，其卓越的效率是公认的"。竹子的内部结构和化学成分与木材非常相似，因此研究小组采用了相同的方法将其变成透明的。去除木质素后，竹子被注入一种无机液体硅酸钠，改变纤维对光线的折射，使其变得透明。然后，再进行处理，使材料具有疏水性或拒水性。最终的材料形成三层结构--顶部是硅烷，中间是二氧化硅，底部是硅酸钠，这种竹材是透明的，透光率高达71.6%，具有阻燃、防水、阻挡烟雾和一氧化碳的功能。在力学方面，它的弯曲模量为7.6GPa，拉伸模量为6.7GPa。它不仅可以用作建筑材料，而且在用作过氧化物太阳能电池的基板时，它就像一个光管理层。这使电池的功率转换效率提高了15.29%。在未来的研究中，研究人员将重点关注这种透明竹子的大规模制造和多功能化。这项研究发表在《研究》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431006.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431006.htm

LionGlass：新型玻璃更环保 抗损性提高10倍

LionGlass：新型玻璃更环保抗损性提高10倍由宾夕法尼亚州立大学研究人员设计的一种新型玻璃LionGlass样品，与标准钠钙硅酸盐玻璃相比，这种玻璃的生产能耗要低得多，而且更耐用。图片来源：AdrienneBerard/宾夕法尼亚州立大学宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系DorothyPateEnright教授兼该项目的首席研究员JohnMauro（约翰·毛罗）说："我们的目标是使玻璃制造长期可持续发展。LionGlass消除了含碳批次材料的使用，并大大降低了玻璃的熔化温度"。从窗户到玻璃餐具等日常用品中使用的普通玻璃--钠钙硅酸盐玻璃，是通过熔化三种主要材料制成的：石英砂、纯碱和石灰石。纯碱是碳酸钠，石灰石是碳酸钙，这两种物质在熔化过程中都会释放出二氧化碳（CO2），这是一种捕获热量的温室气体。在玻璃熔化过程中，碳酸盐分解成氧化物，产生二氧化碳，释放到大气中。但大部分二氧化碳排放来自将熔炉加热到熔化玻璃所需的高温所需的能源。毛罗解释说，使用LionGlass后，熔化温度降低了约300到400摄氏度，与传统钠钙玻璃相比，能耗大约减少了30%。LionGlass不仅更环保，而且比传统玻璃更坚固。研究人员说，他们惊讶地发现，这种以宾夕法尼亚州立大学吉祥物"NittanyLion"命名的新型玻璃，与传统玻璃相比，抗裂性明显更强。研究小组的一些玻璃成分具有很强的抗裂性，即使在维氏金刚石压头施加一公斤力的负荷下，玻璃也不会开裂。与标准钠钙玻璃相比，LionGlass的抗裂性至少提高了10倍，标准钠钙玻璃在大约0.1千克力的负载下就会产生裂纹。研究人员解释说，LionGlass的极限尚未发现，因为他们已经达到了压痕设备所允许的最大负荷。毛罗实验室的博士后研究员尼克-克拉克说："我们不断增加LionGlass的重量，直到达到设备允许的最大负荷，结果它根本不会开裂。"抗裂性是测试玻璃最重要的品质之一，因为它是材料最终失效的原因。随着时间的推移，玻璃表面会出现微裂纹，成为薄弱点。当一块玻璃破碎时，就是因为已有的微裂纹造成了薄弱点。他补充说，首先能够防止微裂纹形成的玻璃尤为珍贵。抗破坏性是玻璃的一项特别重要的特性，想想我们在汽车工业、电子工业、建筑和通信技术（如光纤电缆）等方面对玻璃强度的依赖。甚至在医疗保健领域，疫苗也储存在坚固的耐化学性玻璃包装中。毛罗希望，LionGlass强度的提高意味着用它制造的产品重量更轻。由于LionGlass的抗破坏性是目前玻璃的10倍，因此它可以大大减薄："我们应该可以减小厚度，但仍能获得相同的抗破坏性。如果我们能生产出重量更轻的产品，那对环境就更好了，因为我们使用的原材料更少，生产所需的能源也更少。甚至在下游运输方面，这也减少了运输玻璃所需的能源，因此对每个人来说都是双赢的"。毛罗指出，研究团队仍在评估LionGlass的潜力。他们已经为整个玻璃家族提交了专利申请，这意味着LionGlass家族中有许多成分，每种成分都有其独特的性能和潜在的应用。目前，他们正在将LionGlass的各种成分暴露在一系列化学环境中，以研究其反应。研究结果将有助于研究小组更好地了解LionGlass在世界各地的应用。"人类在5000多年前就学会了如何制造玻璃，从那时起，玻璃就成为现代文明发展到今天的关键，现在，我们正处于需要玻璃来帮助塑造未来的时刻，因为我们面临着环境问题、可再生能源、能源效率、医疗保健和城市发展等全球性挑战。玻璃可以在解决这些问题方面发挥至关重要的作用，我们已经准备好做出贡献。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377131.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377131.htm

简单的合金拿下“有史以来最坚硬的材料”桂冠

简单的合金拿下“有史以来最坚硬的材料”桂冠这种合金含有铬、钴和镍（CrCoNi），它属于一类被称为高熵合金（HEA）的金属。大多数合金是由一种主要的元素和少量的其他元素组成的，但是HEAs包含每种元素的数量相等。这可以赋予它们一些令人印象深刻的特性，例如高强度重量比，随温度上升的弹性模量，或超强度和延展性。在以前的工作中，研究人员发现CrCoNi在-196°C（-321°F）左右的低温下显示出高强度和韧性。在新的研究中，研究小组调查了它在更低的温度-253°C（-424°F）下是否可以保持，在这个温度下，氦作为一种液体存在。果然，它的韧性在防止裂缝扩展方面达到了新的高度。这项研究的联合首席研究员罗伯特-里奇说："这种材料在接近液态氦温度时的韧性高达500兆帕斯卡的平方根米。"在相同的单位中，一块硅的韧性是1，航空客机的铝制机身大约是35，而一些最好的钢的韧性大约是100。因此，500是一个极为惊人的数字。"铬钴镍合金晶体结构的显微镜图像，以及对含有锰和铁的变化的测试（CrMnFeCoNi）RobertRitchie/Berkeley通常情况下，材料在较低的温度下会变得更脆，因此研究小组调查了铬钴镍如何能够保持得如此好。他们使用几种类型的显微镜来探测受力合金的晶格结构。结果发现，铬钴镍通过一系列以特定顺序发生的原子相互作用获得其冷韧性。晶体中的缺陷被施加的力所取代，直到它们产生障碍，以增加对该力的阻力。该过程的最后一步是将晶体结构从立方体转换为六方体。研究小组说，这种材料在面对难以置信的低温时的韧性可以使它对在深空等极端环境中工作的物体很有用。该研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334807.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334807.htm