Учёные научились менять структуру стекла прямо в расплаве

Международная группа исследователей разработала метод изменения внутренней структуры стекла непосредственно в процессе его изготовления. Это позволяет точнее управлять такими свойствами материала, как магнетизм и взаимодействие со светом. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

В исследовании участвовали Технический университет Дортмунда, Падерборнский университет, Университет Дуйсбурга-Эссена и Оксфордский университет. Учёные показали, что добавление особой органической молекулы в расплав позволяет перестроить химические связи внутри некоторых видов стекла.

Молекула, меняющая стекло изнутри

Речь идёт о стеклах на основе металл-органических каркасных соединений (MOF). Ключевой компонент метода — молекула 1,10-фенантролина, которую вводят на этапе производства.

«Мы нашли способ химически модифицировать структуру стекол на основе металл-органических каркасов прямо в процессе изготовления», — объясняет руководитель исследования профессор Себастьян Хенке из Технического университета Дортмунда.

Молекула выполняет две задачи: снижает температуру плавления материала и меняет характер связей между атомами металла и окружающими молекулами. В результате удаётся получать стекло с магнитными или светоизлучающими свойствами, которых прежде добивались лишь при температурах, разрушающих материал.

Химия расплава как инструмент

Обычно стекло образуется при быстром охлаждении расплава: атомы застывают в неупорядоченном состоянии, не формируя регулярной кристаллической решётки. До сих пор исследователи были вынуждены принимать химию таких стекол как данность, определяемую исходным сырьём.

«Важно то, что молекула не остаётся просто наполнителем. Она вступает в реакцию. Мы меняем химию именно в тот момент, когда материал ещё жидкий», — подчёркивает Хенке.

Фенантролин связывается с атомами металла и частично вытесняет прежние связи, увеличивая число соседей вокруг металлического центра. Это запускает существенную перестройку внутренней структуры стекла. Степень изменений регулируется количеством добавленной молекулы.

Мягкие условия без разрушения

Метод решает давнюю проблему: некоторые специализированные материалы не выдерживают температур, необходимых для плавления, и разлагаются с образованием нежелательных примесей. Новая молекула позволяет плавить их при значительно более низких температурах.

«Благодаря этой молекулярной уловке материал плавится при существенно более низких температурах и остаётся стабильным. Исследования стекол с кобальтом показали, что такой мягкий процесс предотвращает образование вредных продуктов разложения», — отмечает профессор Маттиас Бауэр из Падерборнского университета.

Это особенно важно при изучении магнитных свойств: примеси искажают измерения и скрывают реальное поведение материала.

Подтверждение методом рентгеновской спектроскопии

Поскольку атомы в стекле не образуют регулярной решётки, обычные рентгеновские методы малоинформативны. Учёные применили рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, чтобы изучить ближайшее окружение атомов кобальта. Выяснилось, что степень окисления кобальта не меняется, но его локальное окружение перестраивается заметно — связи с соседними молекулами реорганизуются под влиянием фенантролина.

Универсальность подхода

Эксперименты с карбоксилатными каркасными структурами показали, что метод применим и за пределами исходных материалов. Это превращает стадию плавления в этап проектирования новых свойств.

«Расплав перестаёт быть жёстким промежуточным состоянием. Он становится реакционным пространством, в котором мы можем программировать структуру», — резюмирует Хенке.

Потенциальные применения — химические катализаторы, сенсоры и оптоэлектронные устройства, использующие взаимодействие света и электричества, а также материалы с управляемым магнитным поведением.

Источник: rutab.net