מגורדי שחקים נישאים ועד שעוני כרונוגרף קטנים ומעודנים, ניתן לראות זכוכית בכל מקום בחיים.
לפני שני המושבים של הקונגרס העממי הלאומי, פנג שו, נציגת הקונגרס העממי הלאומי, אקדמאי של האקדמיה הסינית להנדסה, מהנדס ראשי של קבוצת חומרי הבנייה הלאומית של סין, ונשיא סין הלאומית לחומרי בניין זכוכית מחקר חומרים חדשים המכון, אמר בראיון לכתבים שעלינו לקדם במרץ חיסכון באנרגיה והפחתת פחמן בתעשיית הזכוכית, כך שהזכוכית של סין התעשייה "תהפוך לירוקה".
למעשה, הזכוכית חייבת לא רק "להירוק", אלא גם לצפות "להתחדש" – ככל שזמן השירות מתארך, הזכוכית תייצר תופעות הזדקנות, שלרוב מלווה בהידרדרות של תכונות פיזיות, מכניות ואחרות. כיצד "להצעיר" חומרים זכוכיים מזדקנים ולהחזיר את תכונותיהם מושך יותר ויותר תשומת לב מהקהילה המדעית בשנים האחרונות.
בסוף 2022, הצוות של Jiang Minqiang, חוקר במכון למכניקה של האקדמיה הסינית למדעים, חשף מנגנון התחדשות חדש לזכוכית מתכתית מזדקנת קשה באמצעות מחקר, והעמיק את ההבנה של התחדשות מבני זכוכית. תוצאות המחקר הרלוונטיות פורסמו בקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, המנוהלת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין. Fundamental Research, כתב עת רב תחומי באנגלית בחסות
הזדקנות זכוכית: מעבר איטי מהפרעה לסדר
כדי לגרום לזכוכית "להתחדש", עלינו להבין תחילה כיצד הזכוכית "צומחת".
Jiang Minqiang הציג כי מנקודת מבט מיקרוסקופית, זכוכית היא מוצק אמורפי עם מבנה לא סדיר. הוא נתן לכתבים דוגמה: במוצקים גבישיים כמו פלדה, אטומים הם כמו תלמידים שיושבים בשקט בכיתה, מסודרים בצורה מסודרת ומציגים צורות קבועות. בזכוכית, מוצק אמורפי בעל מבנה לא סדיר, אטומים הם כמו סטודנטים אחרי שיעור, מתרוצצים בקמפוס, והסידור שלהם לא מסודר.
תופעת הזדקנות הזכוכית היא בעצם הטרנספורמציה של זכוכית ממצב לא מסודר כאשר היא נוצרת בתחילה למצב מסודר. "באופן כללי, האנרגיה הכוללת של החומר במצב לא מסודר גבוהה יותר, בעוד שבמצב מסודר, האנרגיה הכוללת של החומר נמוכה יותר. ככל שיעבור הזמן, הזכוכית תהפוך בהדרגה ממצב של אנרגיה גבוהה לאנרגיה נמוכה. תהליך זה נקרא בדרך כלל יישון זכוכית "Jiang Minqiang הסביר שאם זמן ההזדקנות הוא ארוך מספיק, או שההזדקנות מואצת על ידי חימום, הזכוכית יכולה אפילו להפוך לגביש מוצק עם מבנה רגיל.
הזדקנות הזכוכית תשפיע על תכונות רבות כגון הקשיחות, התכונות האופטיות והמוליכות החשמלית של הזכוכית. זו תופעה שאנשים רוצים לעכב או אפילו להימנע ממנה. לכן, כתהליך של היפוך הזדקנות הזכוכית, התחדשות הזכוכית זכתה זמן רב לתשומת לב נרחבת מצד חוקרים מדעיים.
"הצערת הזכוכית היא התהליך ההפוך של הזדקנות הזכוכית, כלומר, הזכוכית שהאטומים שלה הפכו מסודרים יחסית לאחר ההזדקנות חוזרת לאט לאט למצב של אטומים לא מסודרים יחסית", אמר ג'יאנג מינצ'יאנג. במחקרים קודמים על הצערת זכוכית, מצאו חוקרים כי זכוכית מחודשת תשחרר חלק מאנטלפיית החום כאשר היא מחוממת לטמפרטורה מסוימת, וככל שמידת ההתחדשות של הזכוכית גבוהה יותר, כך אנתלפיית החום המשתחררת במהלך החימום גבוהה יותר. רב. אנטלפיה תרמית היא פרמטר מצב חשוב המאפיין את האנרגיה של מערכת חומרית. במונחים של הדיוט, אנתלפיה היא האנרגיה המשתחררת על ידי זכוכית מחודשת במהלך תהליך החימום.
"המחקר שלנו מראה שנקודת המבט הנ"ל אינה חלה על זכוכית מיושנת קשה. ככל שעולה מידת ההתחדשות של זכוכית מיושנת קשה, שחרור אנטלפיית החום שלה אינו משתנה, או אפילו אין לו שחרור אנטלפיית חום כלל". מחקר על ידי הצוות של Jiang Minqiang זה מראה שההשקפות הקודמות על מנגנון ההזדקנות של זכוכית אינן ישימות לזכוכית מיושנת קשה, מה שמעדכן את ההבנה של אנשים לגבי מנגנון ההתחדשות של מבנה הזכוכית.
"החדרה לא מכוונת": תוצאות המחקר אינן צפויות
"למעשה, פריצת הדרך במחקר הזה הגיעה מניסיון 'לא מכוון' של צוות המחקר שלנו". Jiang Minqiang אמר שהמטרה המקורית של הניסוי הזה הייתה רק להכין דגימות ניסוי. "הצוות שלנו הכין במקור את הדגימה לניסוי נוסף. על מנת לחזק את האופי המדעי של הניסוי, יש צורך לבטל את ההיסטוריה התרמית של הדגימה ולוודא שיש לה מבנה עקבי. ביצענו פעולת חישול בטמפרטורה נמוכה על דגימת הזכוכית - חימום איטי של הזכוכית המתכתית לטמפרטורה מסוימת ונשמר במשך זמן מספיק, ולאחר מכן התקרר לטמפרטורת החדר במהירות מסוימת "ואז, צוות המחקר הצעיר את הזכוכית המיושנת בצורה חמורה באמצעות דפורמציה מכנית. התוצאה הייתה בלתי צפויה - "ברור שאנו מכניסים אנרגיה לזכוכית באמצעות עבודה מכנית, אז למה הכוסות האלה לא משחררות חום והופכות צעירות יותר?" זה מנוגד לתפיסת המיינסטרים הקודמת.
תוצאה זו הותירה את צוות המחקר מבולבל. על מנת לפתור את התעלומה, בנוסף למדידת האנתלפיה התרמית, צוות המחקר מדד גם את החום הספציפי בטמפרטורה גבוהה (450K-750K) ובטמפרטורה נמוכה (1.9K-100K) של דגימת הזכוכית, ולאחר מכן חקרו את מידע הרטט האטומי ומידע המבנה הטופולוגי של הזכוכית. "במהלך הניסוי, צוות המחקר מצא שלמרות שהפרמטר של שחרור האנתלפיה לפני מעבר זכוכית נותר ללא שינוי במקרים מסוימים, השינוי האנתלפיה האפקטיבי במהלך מעבר הזכוכית והחום הסגולי של האטומים בטמפרטורה נמוכה שיקפו. עם זאת, שתי הכמויות הפיזיקליות של שיא Bose הרטט ישתנה בהתאם", הסביר עוד ג'יאנג מינקיאנג, "זה מראה ששחרור אנטלפיה תרמית אינו הכמות הפיזית היחידה שמשקפת את התחדשות הזכוכית".
כשדיברנו על הסיבה לכך ששחרור האנטלפיה החום נותר ללא שינוי, ג'יאנג מינצ'יאנג שוב הסביר בדוגמה חיה: "אם נניח כדור קטן בשקע של המישור המעוצב בצורת 'קעור', הכדור הקטן יישאר באופן טבעי נייח. יציבות המצב הוא כמו של זכוכית מיושנת חמורה ואם נטה את המישור ה"קעור" הזה בזווית כלשהי, למרות שגובה הקעור, כלומר, רמת האנרגיה של החומר הזגוגי נשאר כמעט ללא שינוי, המצב של הזכוכית. הזכוכית המיוצגת על ידי הכדור הקטן תישאר זהה היא תהפוך לבלתי יציבה, ותתרחש תופעת התחדשות הזכוכית.
תוצאות מחקר מראות שבנוסף לתפיסות מיינסטרים קודמות, התחדשות זכוכית יכולה לבוא לידי ביטוי ישירות בשחרור אנטלפיה חום, כלומר, עלייה ברמת האנרגיה, או שהיא יכולה לבוא לידי ביטוי גם בהטיה של פני האנרגיה, כלומר , באמצעות סידור מחדש של המבנה המקומי. הנפח הפנוי מופץ מחדש בחלל. "זהו המנגנון החדש להצערה של חומרים זכוכיים מיושנים מאוד שגילינו". אמר ג'יאנג מינצ'יאנג.
הרחבת תרחישים: מתן מרחב יישומים רחב
מחקר זה מצא גם שכאשר הזכוכית נכנסת למצב זרימה יציבה, שלושת הפרמטרים הפיזיקליים לעיל המאפיינים את ההתחדשות יטו כל אחד לערכי רוויה, ובכך לראשונה נקבע בניסוי שהגבול העליון של התחדשות מבנה הזכוכית הוא היציבות "הקפואה" זרימת המדינה. מדינה.
אם נשתמש במים כאנלוגיה, זכוכית שהופכת נוזלית בטמפרטורות גבוהות היא כמו מים, בעוד שזכוכית שמתמצקת בטמפרטורות נמוכות היא כמו קרח. "הגבול של חידוש מבנה הזכוכית הוא להקפיא לפתע את נוזל הזכוכית בטמפרטורה גבוהה באמצעות קירור מהיר במיוחד, ובכך ליצור מצב חומרי הדומה ל'מים זורמים קפואים'". Jiang Minqiang הסביר, "במקרה זה, הזכוכית תופיע במצב מוצק. תוך שמירה על מבנה חומרי שכמעט זהה לנוזל, נזילותה תגיע לגבול ההבנה הנוכחית".
המנגנון החדש של התחדשות של חומרים זגוגיים שנחשף במחקר זה לא רק מאפשר לנו להבין טוב יותר את הסיבות והתהליכים של הזדקנות זכוכית מנקודת מבט פיזית, אלא גם בעל פוטנציאל יישום עצום בקידום הצערת אצווה של זכוכית מיושנת. . "צוות המחקר מתקשר כעת עם חברות העוסקות בייצור זכוכית או מחקר ופיתוח, ומנסה למצוא נקודת שילוב טובה לקידום הטכנולוגיה לשוק".
בנוסף, גילה Jiang Minqiang כי המנגנון החדש שנחשף במחקר זה צפוי להיות מיושם גם בהכנת חומרי מתכת מתקדמים.
"באופן כללי, החוזק והקשיחות של חומרי מתכת לא יכולים להיות מתאימים זה לזה. ככל שהחוזק יגדל, הקשיחות תפחת, ולהיפך". ג'יאנג מינ-צ'יאנג אמר, "איך להתגבר על מערכת היחסים ההפוכה המובנית הזו היא להכין גם את החוזק וגם את הקשיחות של חומרי מתכת מתקדמים".
לחומרי מתכת בעלי חוזק גבוה יש בדרך כלל רמות אנרגיה כוללות נמוכות מאוד ברמה המיקרוסקופית. אם אנרגיה מוזנת באמצעות חימום ושיטות אחרות, הניסיון לשפר את הקשיחות של חומרי מתכת על ידי הגדלת רמת האנרגיה הכוללת דורש לעתים קרובות השקעת אנרגיה גבוהה במיוחד, דבר שכמעט בלתי אפשרי להשגה.
"אם נוכל להשתמש במנגנון החדש שהתגלה במחקר זה כדי להתאים את זווית פני האנרגיה של חומרים מתכתיים כאשר רמת האנרגיה הכוללת נמוכה, נוכל להגביר את האי-סדר של האטומים תוך שמירה על אותו חוזק מקרוסקופי, ובכך להגביר את הקשיחות של המתכת. חומרים באמצעות שיטה זו, אנו יכולים להימנע מכניסת אנרגיה עצומה ולהפחית במידה ניכרת את העלות של הכנת חומרי מתכת בעלי חוזק גבוה "Jiang Minqiang אמר שהצוות שלו מנסה להשיג פריצות דרך מכריעות. הוא מספק רעיונות חדשים לפתרון הסתירה ארוכת השנים הבלתי ניתנת לגישור בין החוזק והקשיחות של חומרי מתכת.