От высоких небоскребов до маленьких и изысканных часов-хронографов – стекло можно увидеть повсюду в жизни.
Перед двумя сессиями Всекитайского собрания народных представителей Пэн Шоу, представитель Всекитайского собрания народных представителей, академик Китайской инженерной академии, главный инженер Китайской национальной группы строительных материалов и президент Китайской национальной группы исследований новых материалов в области строительных материалов, стекла. Институт заявил в интервью журналистам, что мы должны активно продвигать энергосбережение и сокращение выбросов углекислого газа в стекольной промышленности, чтобы китайская стекольная промышленность «становилась зеленой».
Фактически, стекло должно не только «позеленеть», но и «омолодиться» - по мере увеличения срока службы стекло будет вызывать явления старения, которое обычно сопровождается ухудшением физических, механических и других свойств. Как «омолодить» стареющие стекловидные вещества и восстановить их свойства в последние годы привлекает все больше внимания научного сообщества.
В конце 2022 года группа Цзян Миньцяна, исследователя из Института механики Китайской академии наук, с помощью исследований раскрыла новый механизм омоложения сильно состаренных металлических стекол и углубила понимание омоложения стеклянных структур. Соответствующие результаты исследований были опубликованы в Национальном естественнонаучном фонде Китая, управляемом Национальным естественнонаучным фондом Китая. Fundamental Research, многопрофильный англоязычный журнал, спонсируемый
Старение стекла: медленный переход от беспорядка к порядку
Чтобы «омолодить» стекло, мы должны сначала понять, как оно «растет».
Цзян Миньцян представил, что с микроскопической точки зрения стекло представляет собой аморфное твердое вещество с неправильной структурой. Он привел репортерам пример: в кристаллических твердых телах, таких как сталь, атомы подобны студентам, тихо сидящим в классе, упорядоченным образом и имеющим правильные формы. В стекле, аморфном твердом теле с неправильной структурой, атомы подобны студентам после уроков, бегущим по кампусу, и их расположение беспорядочно.
Феномен старения стекла по сути является преобразованием стекла из неупорядоченного состояния, когда оно изначально сформировано, в упорядоченное состояние. «Вообще говоря, полная энергия материи в неупорядоченном состоянии выше, в то время как в упорядоченном состоянии полная энергия материи ниже. С течением времени стекло постепенно переходит из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое. Этот процесс обычно называют старением стекла». Цзян Миньцян объяснил, что если время старения достаточно велико или старение ускоряется нагреванием, стекло может даже превратиться в твердый кристалл с регулярной структурой.
Старение стекла влияет на многие свойства, такие как прочность, оптические свойства и электропроводность стекла. Это явление, которое люди хотят отсрочить или даже избежать. Поэтому, как процесс обращения вспять старения стекла, омоложение стекла уже давно привлекает широкое внимание научных исследователей.
«Омоложение стекла — это процесс, обратный старению стекла, то есть стекло, атомы которого после старения стали относительно упорядоченными, медленно возвращается в состояние относительно неупорядоченных атомов», — сказал Цзян Миньцян. В предыдущих исследованиях по омоложению стекла исследователи обнаружили, что омоложенное стекло будет выделять часть тепловой энтальпии при нагревании до определенной температуры, и чем выше степень омоложения стекла, тем больше тепловая энтальпия, выделяющаяся при нагревании. много. Тепловая энтальпия — важный параметр состояния, характеризующий энергию материальной системы. С точки зрения непрофессионала, энтальпия — это энергия, выделяемая обновленным стеклом в процессе нагрева.
«Наши исследования показывают, что изложенная выше точка зрения не применима к сильно состаренному стеклу. По мере увеличения степени омоложения сильно состаренного стекла его теплоэнтальпия не меняется или даже не имеет теплоэнтальпийного выделения вообще». Исследование команды Цзяна Минцяна показывает, что предыдущие взгляды на механизм старения стекла неприменимы к сильно состаренному стеклу, что обновляет понимание людьми механизма омоложения структуры стекла.
«Непреднамеренная вставка»: результаты исследования неожиданны
«На самом деле, прорыв в этом исследовании произошел из-за «непреднамеренной» попытки нашей исследовательской группы». Цзян Миньцян сказал, что изначально целью этого эксперимента была просто подготовка экспериментальных образцов. «Наша группа изначально подготовила образец для другого эксперимента. Чтобы усилить научный характер эксперимента, необходимо исключить термическую историю образца и убедиться, что они имеют постоянную структуру. Мы провели операцию низкотемпературного отжига на стеклянном образце — медленно нагревая металлическое стекло до определенной температуры и выдерживая ее в течение достаточного времени, а затем охлаждая до комнатной температуры с определенной скоростью. «Затем исследовательская группа омолодила сильно состаренное стекло посредством механической деформации. Результат оказался неожиданным — «Очевидно, что мы вводим энергию в стекло посредством механической работы, так почему же эти стекла не выделяют тепло и не становятся моложе?» Это противоречит предыдущему общепринятому мнению.
Этот результат привел исследовательскую группу в замешательство. Чтобы разгадать загадку, помимо измерения тепловой энтальпии, исследовательская группа также измерила высокотемпературную (450К-750К) и низкотемпературную (1,9К-100К) удельную теплоемкость. образец стекла, а затем исследовал информацию об атомных колебаниях и информацию о топологической структуре стекла. «В ходе эксперимента исследовательская группа обнаружила, что, хотя параметр выделения энтальпии перед стеклованием в некоторых случаях оставался неизменным, эффективное изменение энтальпии во время стеклования и низкотемпературная удельная теплоемкость атомов отражались. Однако две физические величины Вибрационный пик Бозе будет соответственно меняться», — пояснил Цзян Миньцян. — «Это показывает, что выделение тепловой энтальпии — не единственная физическая величина, которая отражает омоложение стекла».
Говоря о том, почему выделение тепловой энтальпии остается неизменным, Цзян Миньцян еще раз объяснил на ярком примере: «Если мы поместим маленький шарик в углубление «вогнутой» плоскости, маленький шарик, естественно, останется неподвижным. Стабильность Состояние похоже на состояние сильно состаренного стекла. И если наклонить эту «вогнутую» плоскость под некоторым углом, хотя высота вогнутости, то есть уровень энергии стекловидного материала, остается практически неизменной, состояние стекла. стекло, представленное маленьким шариком, останется прежним. Оно станет нестабильным, и произойдет явление омоложения стекла».
Результаты исследований показывают, что, помимо прежних основных взглядов, омоложение стекла может быть непосредственно отражено в выделении тепловой энтальпии, то есть повышении уровня энергии, или оно может также отражаться в наклоне энергетической поверхности, то есть , посредством перестройки локальной структуры. Свободный объем перераспределяется в пространстве. «Это новый механизм омоложения сильно состаренных стекловидных материалов, который мы обнаружили». Сказал Цзян Миньцян.
Расширение сценариев: предоставление широкого пространства для применения
В ходе данного исследования также было установлено, что по мере того, как стекло переходит в состояние стабильного течения, каждый из трех физических параметров, характеризующих восстановление, будет стремиться к значениям насыщения, тем самым впервые экспериментально определяя, что верхним пределом восстановления структуры стекла является «замороженное» стационарное состояние течения.
Если мы используем воду в качестве аналогии, стекло, которое становится жидким при высоких температурах, похоже на воду, а стекло, которое затвердевает при низких температурах, похоже на лед. «Ограничением омоложения структуры стекла является внезапное замораживание высокотемпературной стеклянной жидкости посредством чрезвычайно быстрого охлаждения, образуя таким образом материальное состояние, подобное «замерзшей проточной воде». Цзян Миньцян объяснил: «В этом случае стекло окажется в твердом состоянии. Сохраняя структуру материала, почти такую же, как у жидкости, его текучесть достигнет предела нынешнего понимания».
Новый механизм омоложения стеклообразных веществ, раскрытый в этом исследовании, не только позволяет нам лучше понять причины и процессы старения стекла с физической точки зрения, но и имеет огромный потенциал применения в продвижении пакетного омоложения состаренного стекла. «В настоящее время исследовательская группа общается с компаниями, занимающимися производством стекла или исследованиями и разработками, пытаясь найти хорошую точку комбинирования для продвижения технологии на рынок».
Кроме того, Цзян Миньцян также обнаружил, что новый механизм, раскрытый в этом исследовании, также, как ожидается, будет применяться при приготовлении современных металлических материалов.
«Вообще говоря, прочность и ударная вязкость металлических материалов не могут быть совместимы друг с другом. По мере увеличения прочности ударная вязкость будет уменьшаться, и наоборот». Цзян Минцян сказал: «Как преодолеть эту присущую перевернутую взаимосвязь, необходимо подготовить как прочность, так и ударную вязкость современных металлических материалов».
Высокопрочные металлические материалы обычно имеют очень низкие уровни общей энергии на микроскопическом уровне. Если энергия вводится посредством нагрева и других методов, попытка улучшить ударную вязкость металлических материалов за счет увеличения общего уровня энергии часто требует чрезвычайно высоких затрат энергии, чего практически невозможно достичь.
«Если мы сможем использовать новый механизм, открытый в этом исследовании, для регулирования энергетического угла поверхности металлических материалов, когда общий уровень энергии низок, мы сможем увеличить беспорядок атомов, сохраняя при этом ту же макроскопическую прочность, тем самым повышая ударную вязкость металла. Благодаря этому методу мы можем эффективно избежать огромных затрат энергии и значительно снизить затраты на подготовку высокопрочных металлических материалов», — сказал Цзян Миньцян, что его команда в настоящее время пытается добиться решающих прорывов. Он предлагает новые идеи для решения давнего непримиримого противоречия между прочностью и вязкостью металлических материалов.