Ученые создали тонкие пленки из стеклообразного оксида алюминия, которые можно растягивать, сжимать и изгибать без появления трещин при комнатной температуре. Эти свойства позволяют создавать нехрупкие неорганические стекла, но технологии производства крупномасштабных изделий из этого материала пока не существует, пишут авторы в журнале Science.
Стекло — это аморфное твердое тело, то есть не обладающее кристаллической структурой. Множество веществ может формировать материалы с такой структурой, но наиболее распространенным вариантом являются стекла на основе оксида кремния. Такие стекла характеризуются прозрачностью и твердостью, но также хрупкостью, то есть неспособностью деформироваться без появления трещин.
Свойства стекла, в особенности его термическая и химическая стойкость, обеспечили ему большое количество применений. Однако во многих случаях хрупкость становится проблемой: например, из-за нее трескаются экраны смартфонов. Исследователи постоянно пытаются улучшить показатели стекол, но пока что они далеки от предсказываемых теорией.
Причина заключается в микроскопическом строении стекла — оно выглядит как неупорядоченное распределение атомов кремния и кислорода с небольшими пустотами, играющими роль дефектов. Если механическая энергия при оказании воздействия не расходуется на обратимую эластичную или необратимую пластическую деформацию, то она будет накапливаться около дефектов. В обычном стекле атомы не могут смещаться, разрывая старые и образуя новые связи с другими, на что расходуется энергия, поэтому в результате возникает трещина и стекло раскалывается.
Ученые под руководством Эркки Фракенберга (Erkka Frankberg) из Университета Тампере в Финляндии исследовали тонкие стеклянные пленки, состоящие из оксида алюминия Al2O3. Оказалось, что такой материал способен пластично растягиваться и сжиматься без образования трещин, если в нем изначально отсутствовали дефекты. Исследователи сравнивают поведение полученного вещества с металлами, на которые обычное стекло не похоже.
Авторы получали новое стекло посредством импульсного лазерного напыления, то есть испарения исходного кристаллического вещества с последующим осаждением на подложке. В результате получались пленки толщиной в 60 нанометров и около двух микрон в длину, которые оказались прозрачными подобно обычному стеклу, но намного менее хрупкими. В частности, их можно было растягивать на 8 процентов, сжимать в два раза и изгибать. Эти изменения были пластическими, то есть материал не принимал исходную форму после снятия внешнего воздействия.
Для прояснения причины таких свойств ученые исследовали полученные образцы при помощи электронного микроскопа. Созданная на основе полученных данных компьютерная модель показала, что в первую очередь за это была ответственна бездефектная структура с плотной упаковкой атомов. Также в таком стекле атомы могли смещаться при внешнем воздействии.
Ученые отмечают, что результаты демонстрируют возможность использования пластичных стеклянных пленок из оксида алюминия уже сегодня. Например, подобные изделия могут пригодиться в производстве аккумуляторов и электроники. Потенциально могут быть и другие применения, но для этого необходимо научиться создавать крупные изделия с нужными свойствами, а такого способа авторы пока предложить не могут.
Ранее ученым удалось сделать стекло еще более прозрачным при помощи нанотекстур, превратить падающие стеклянные частицы во всесторонний экран и создать нейросеть из стекла на основе рассеяния света.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение