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日研發出具有橡膠特性的透明氧化物玻璃
日研發出具有橡膠特性的透明氧化物玻璃
導讀：柔韌的物質能夠耐高溫，在工業和工程領域有著廣泛的應用，然而，用氧化物制成的玻璃在常溫下既硬又脆，容易破碎。來自東京工業大學和橫濱朝日玻璃有限公司的科學家們研發了一種新的氧化物玻璃——混合堿偏磷酸鹽玻璃，在過冷液體狀態下拉伸時的表現與普通玻璃*不同。
稻葉誠司、伊藤和細野秀雄研究發現氧化物玻璃在軟、長、直鏈分子結構方面與有機橡膠擁有相似的結構特征。偏磷酸鹽玻璃像橡膠一樣，在接近“玻璃化轉變溫度”（在這個溫度點上，玻璃的狀態會發生從過冷液體到固體的改變）時會發生擴張和收縮。
研究人員對一個過冷狀態下的偏磷酸鹽玻璃進行了拉伸實驗，這個玻璃是由包含鋰、鈉、鉀、銫和氧化磷的混合堿金屬制成的。當進行加熱和拉伸時，玻璃中的直鏈分子會變得具有高度的方向性，這時玻璃本身就變得和橡膠一樣。當研究者將玻璃加熱到更高的溫度時，它的尺寸會收縮百分之十幾，然后回到其原來的無序分子狀態。這個屬性被稱為“熵彈性”——玻璃顯示出此特性。
這種橡膠狀的氧化物玻璃可以在高溫、氧化環境中得到應用，這類環境有機聚合物橡膠是無法應對的。研究團隊已經將成果發表在2014年12月2日《自然材料》的網絡版上。
圖2 各向異性和各向同性的玻璃模型對比稻葉誠司和他的研究團隊用化學成分是Li0.25Na 0.25K 0.25Cs 0.25PO3混合堿金屬偏磷酸鹽玻璃進行了實驗。這種氧化物玻璃是各向同性的，在室溫下既硬又脆，容易破碎，和普通玻璃是一樣的。然而，當它被加熱到玻璃化轉化溫度Tg時，然后冷卻進入拉伸狀態，玻璃就變成各向異性（晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同）。
當偏磷酸鹽玻璃在Tg附近進行熱處理時，它縮小了35%，但體積并沒有改變。此外，雖然許多材料如普通玻璃，陶瓷，金屬，當受熱收縮時是放熱的，但該團隊開發的玻璃的在受熱收縮時是吸熱的。
偏磷酸鹽玻璃，其結構類似于有機橡膠，表現出氧化物玻璃從未有過的一定程度的收縮性。而且由于其直鏈方向性和收縮后能恢復到初始結構，這些都顯示它的各向異性。
這項研究展示了氧化物玻璃的內部結構，如何使得它們在室溫下硬脆、容易破碎，而在高溫情況下卻能表現出橡膠一樣的拉伸性能。結果表明，這種玻璃可以在高溫、氧化環境中得到應用，這類環境中不能使用有機聚合物橡膠。進一步的研究可能會提高這種橡膠狀氧化物玻璃的性能，并促進這類玻璃科學研究的發展。
(來源：科技日報)