Science：克制玻璃的脆性，便是追寻一种不是脆性的玻璃,玻璃技术

玻璃的制玻发现已经有多少千年的历史，可是脆性普遍运用却惟独数百年光阴，加工温度的便追不脆玻璃玻璃后退以及工艺的优化使这一低等人群质料“飞入艰深苍生家”。从羽觞酒瓶、寻种性修筑物的技术窗户患上手机屏幕，以及咱们做试验用的制玻三口瓶、冷凝管，脆性都是便追不脆玻璃玻璃由玻璃制成。咱们已经无奈想象，寻种性不玻（shǒu）璃（jī）要若何生涯以及使命。技术

　　尽管玻璃已经成为到处可见、制玻不可或者缺的脆性质料，可是便追不脆玻璃玻璃，咱们对于玻璃的寻种性激情却不断又爱又恨。一摔就碎的技术玻璃手机屏幕，会让咱们不患上不破费多少百大洋去替换；更严正的，川航3U8633航班紧迫备降使掷中破碎的风挡玻璃，差点舍身全机职员的性命。玻璃刚性且易碎的缺陷，总让咱们感应些许遗憾。那末，有无愈加坚贞坚贞的玻璃呢？

　　图片源头：片子《中国机长》

　　后退玻璃废品的强度以及韧性不断是工程师们面临的临时挑战，钻研者们将目力投向了高解离能的氧化铝质料，向SiO2中削减稀土氧化物以及氧化铝可能制备氧化物玻璃，使其具备高弹性模量以及高硬度。尚有钻研者直接制备了Al2O3-Ta2O5玻璃，折射率高达1.94，杨氏模量以及维氏硬度分说为158.3 GPa以及9.1 GPa，也可与氧化物玻璃相媲美。

　　氧化铝-稀土氧化物玻璃。图片源头：Nature[1]

　　透明的Al2O3-Ta2O5玻璃。图片源头：Sci.Rep.[2]

　　可是，修正玻璃的外在性子，概况本现着实残缺地处置该下场。克日，芬兰坦佩雷大学Erkka J.Frankberg、法国里昂大学Lucile Joly-Pottuz等钻研者相助在Science杂志上宣告论文，以为致密且无瑕疵的非晶态氧化铝玻璃可能像金属同样快捷变形且不会破碎，这与人们对于玻璃的传统认知残缺差距。这就象征着，氧化铝玻璃可能爆发塑性形变，这将飞腾应力对于玻璃的破损，后退质料在室温下抗侵略的能耐。

　　非晶态氧化铝的塑性应变及若何后退玻璃抗破损能耐。图片源头：Science[3]

　　Erkka J.Frankberg博士。图片源头：Tampere University[4]

　　普遍认知中，玻璃在常温下是安定且脆性的，惟独在高温条件能耐爆发粘滞性蠕变。即当高于转变温度（Tg）时，玻璃开始硬化并具备行动性，这也是千姿百态的玻璃废品加工的道理；当低于这个温度时，玻璃在自己重力熏染下的蠕变需要多少万万年威力够魔难到。

　　吹玻璃的人。图片源头于收集

　　可是短处的是，当钻研者在合计无瑕疵的非晶态Al2O3粘度时发现，无需大批的热激活，Al2O3在常温下（~300 K）就能爆发粘滞性蠕变。

　　丈量非晶态Al2O3粘性行动的试验以及模拟挨次。图片源头：Science

　　这一突破老例的发现，引起了钻研者们颇为大的兴趣。于是他们妄想试验，在拉伸以及缩短条件下妨碍TEM原位审核，服从发现样品在塑性应变时期坚持非晶态。随着应变速率的削减，非晶态Al2O3的粘度清晰飞腾。经由服从外推法到颇为高的应变速率发现，非晶态Al2O3在室温下的粘度为1 pa•s，这居然与甘油在300 K下的粘度至关。

　　非晶态Al2O3在室温下的应变照应。图片源头：Science

　　在拉伸试验中，非晶态Al2O3在5~8%塑性应变后爆发断裂，这与期待的服从彷佛有些收支。钻研者发现，断裂爆发在受离子伤害影响的部份地域。换句话说，在样品制备历程中，难以防止的离子伤害导致缺陷发生，这是导致应变历程中的断裂的原因。

　　非晶态Al2O3在室温下随光阴变更的行动行动。图片源头：Science

　　可是，非晶态Al2O3在室温下为甚么可能爆发塑性应变呢？钻研者运用质料模子，提出了预料的原子机理——应变是由原子平均散漫引起的。在较低应变下，拉伸沿轴向伸长；而在较高应变下，塑性变形仅经由稳态粘性蠕变爆发。在合计模拟中，这两种形变天气都是经由键切换爆发的，相邻化学键在拉伸以及缩短历程中随应变的变更修正，键的交流以及旋转，发生原子移位，使宏不雅历程积攒成宏不雅的行动性。在传统的认知中，当玻璃温度抵达Tg后，发生应力应变不够为奇，可是除了热激活之外，机械激活同样可能径自地诱惑玻璃收集的败坏，发生应变。

　　非晶态Al2O3塑性应变机制。图片源头：Science

　　之以是文章的论断有悖于传统认知，是由于液态氧化铝假如要转变为非晶态的玻璃状固体，需要以每一秒多少千开的速率冷却，这是老例措施难以实现的。因此，咱们罕有的Al2O3个别不会组成玻璃，而是组成结晶，患上到蓝宝石或者红宝石等晶体。以是，传统的玻璃制作工艺不能制备用于氧化铝玻璃。钻研者运用一种叫做脉冲激光聚积法（pulsed laser deposition,PLD）的技术，将氧化铝转化为玻璃化的形态。

　　脉冲激光聚积法。图片源头：Tampere University[4]

　　此外，值患上一提的是，对于非晶态Al2O3的模拟服从与SiO2的模拟服从残缺差距，前者键切换的可能性是后者的8到25倍，而在张力下，后者的缺陷又进一步在空间上舒缓在SiO2的妄想中爆发键切换，因此在应力水平下SiO2零塑性应变并不怪异。

　　应力下的非晶态Al2O3薄膜。图片源头：Tampere University[4]

　　综上，钻研者经由实际证实，非晶态Al2O3是一种比传统认知的韧性大良多的质料。而粘性蠕变机制所发生的塑性应变需要一个致密且完好陷的玻璃收集，再加之个实用的活化能，以应承饶富的键切换天气爆发。这种塑性在未来的柔性电子器件中将有着潜在的运用，而且也为强韧玻璃的研发指出了新的道路。不外，这项钻研只是新型超强玻璃走向适用的第1步。Erkka Frankberg说：“咱们需要开拓一种新的制作工艺来（使这种非晶态Al2O3玻璃）抵达预期功能。破费的玻璃还需要纯度饶富高且妄想上不瑕疵，这是另一个挑战。”[4]

　　Highly ductile amorphous oxide at room temperature and high strain rate

　　Science,2019,366,864-869,DOI:10.1126/science.aav1254

　　参考文献：

　　1.Rosenflanz A.,Frey M.,Endres B.,et al.Bulk glasses and ultrahard nanoceramics based on alumina and rare-earth oxides.Nature,2004,430,761-764.DOI:10.1038/nature02729

　　https://www.nature.com/articles/nature02729

　　2.Rosales-Sosa G.A.,Masuno A.,Higo Y.,et al.High Elastic Moduli of a 54Al2O3-46Ta2O5 Glass Fabricated via Containerless Processing.Sci.Rep.,2015,5,15233.DOI:10.1038/srep15233

　　https://www.nature.com/articles/srep15233

　　3.Wondraczek L.,Overcoming glass brittleness.Science,2019,366,804-805.DOI:10.1126/science.aaz2127

　　https://science.sciencemag.org/content/366/6467/804

　　4.Ductile glass bends instead of breaking

　　https://www.tuni.fi/en/news/ductile-glass-bends-instead-breaking