預(yù)測(cè)新型玻璃的性能

美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員表示，ZIF玻璃是一種新型的玻璃系列，可以將硅酸鹽玻璃的透明性與非脆性金屬玻璃相結(jié)合。

“我們相信透明度，”賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授約翰莫羅說?！拔覀儽仨毜却蟮臉颖?，才能知道它是否具有金屬玻璃的驚人延展性，但它看起來很有希望?！?

最新的玻璃形成材料，沸石咪唑酯骨架(ZIF)，具有金屬離子通過有機(jī)配體連接的結(jié)構(gòu)。當(dāng)在有限的高溫范圍內(nèi)加熱時(shí)，一些ZIF材料會(huì)熔化并重新形成玻璃結(jié)構(gòu)，其中原子具有無序結(jié)構(gòu)。除了透明和更具柔性的玻璃的潛力之外，一些zifs還包含大量用于氣體儲(chǔ)存的功能性孔-金屬-有機(jī)框架，它們已被提議作為燃料電池車輛中氫氣儲(chǔ)存、催化、氣體分離甚至藥物輸送的籠子。

“ZIF是如此新奇，以至于人們剛剛發(fā)現(xiàn)哪些化學(xué)物質(zhì)可以形成眼鏡，”毛羅說?！拔覀冃〗M的目標(biāo)是通過建模來加速這些新型眼鏡的設(shè)計(jì)?！?

在最后兩篇期刊文章中，Mauro和他的同事使用了不同的建模方法來加深他們對(duì)ZIF玻璃的理解和預(yù)測(cè)。第一種建模方法ReaxFF是由賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程教授Adri van Duin開發(fā)的，他是兩篇論文的合著者。ReaxFF是模擬候選材料熔化和重整的一種快速而經(jīng)濟(jì)的方法。

“很難模擬這些系統(tǒng)，因?yàn)檫@些模型通常是為有機(jī)系統(tǒng)或無機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，但不是兩者都有，”Mauro博士后學(xué)者、兩篇論文的主要作者楊永健說?！按送?，與ReaxFF不同，其他型號(hào)在玻璃成型過程中不允許出現(xiàn)粘合失效和重整?！?

楊補(bǔ)充說，使用ReaxFF可以將模擬執(zhí)行所需的時(shí)間縮短到幾個(gè)小時(shí)，而不是使用量子力學(xué)方法花費(fèi)幾天時(shí)間。

在最近發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》上的一篇論文中，研究人員使用了另一種建模方法，該方法最初是為另一種稱為硫族化物玻璃的玻璃開發(fā)的。

“詹姆斯菲利普斯建議，我們可以像在橋梁或埃菲爾鐵塔中設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)一樣考慮眼鏡，”Mauro說。

當(dāng)時(shí)，在貝爾實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在在羅格斯大學(xué)，菲利普斯提出了一種基于原子自由度與其他原子的剛性鍵數(shù)量進(jìn)行比較來優(yōu)化玻璃的方法。當(dāng)粘合劑等于自由度(上下或側(cè)向移動(dòng)的能力)時(shí)，系統(tǒng)通常處于形成穩(wěn)定玻璃的最佳狀態(tài)。

康寧公司的Mauro和俄亥俄州立大學(xué)的Prabhat Gupta擴(kuò)展了這一理論，發(fā)展了所謂的溫度相關(guān)約束理論，該理論解釋了高溫下的鍵斷裂，并且還擴(kuò)展了該理論以定量預(yù)測(cè)玻璃性能。

“因?yàn)槲覀兊睦碚撌腔趯?duì)鍵和原子的計(jì)數(shù)，所以可以用鉛筆和紙來解決，”Mauro說。"我們可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)玻璃的硬度、彈性模量、粘度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度."

雖然他們的理論是在2008年制定的，但它已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多氧化物玻璃系統(tǒng)和工業(yè)玻璃成分的制定，但這是第一次將其應(yīng)用于ZIF金屬-有機(jī)玻璃系統(tǒng)。

劍橋大學(xué)的Thomas Bennett領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)部分，包括合成ZIF樣本，目前這些樣本的大小只有幾毫米。

“仍然有許多挑戰(zhàn)需要解決，”毛羅說?！拔覀兿Ｍ眠@些建模方法來預(yù)測(cè)我們可以用來升級(jí)工業(yè)規(guī)模，然后商業(yè)化的玻璃。有光學(xué)透明、機(jī)械延展性好的玻璃不好嗎？”

最近發(fā)表的題為“用拓?fù)浼s束理論預(yù)測(cè)沸石咪唑玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”的論文的其他作者是Mauro的博士生Collin Wilkinson、李國(guó)豪和Karan Doss范杜恩集團(tuán)的研究副教授范杜恩和范杜恩，劍橋大學(xué)皇家學(xué)會(huì)的大學(xué)研究員托馬斯貝內(nèi)特。

賓夕法尼亞州立大學(xué)和皇家學(xué)會(huì)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究所資助了這項(xiàng)工作。

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