Per la prima volta, i cambiamenti strutturali del sottosuolo del vetro di silice dovuti all'usura e ai danni su scala nanometrica sono stati rivelati tramite spettroscopia, che possono portare a miglioramenti nei prodotti in vetro come i display elettronici e i parabrezza dei veicoli, secondo un team di ricercatori internazionali.

"Una delle principali aree di ricerca del mio gruppo è la scienza della superficie del vetro, principalmente il rapporto tra proprietà, la struttura del vetro, e proprietà meccaniche e chimiche, in particolare la durabilità meccanica e la durabilità chimica, "Seong Kim, Penn State illustre professore di ingegneria chimica e co-autore dello studio in Acta Materialia , disse. "E una delle tecniche che abbiamo utilizzato è la spettroscopia vibrazionale. Ma la sfida dell'analisi strutturale su nanoscala di una superficie di vetro è che molte delle tecniche di spettroscopia che le persone usano ampiamente non funzionano qui".

La spettroscopia a infrarossi può rilevare i difetti superficiali solo in una certa misura. Se il tipo di difetto che si genera sulla superficie del vetro è inferiore a 10 micron, che è inferiore alla lunghezza d'onda di 10 micron della spettroscopia infrarossa, non può essere analizzato o ripreso correttamente. Le tecniche di analisi come la spettroscopia Raman utilizzata nella comunità di ricerca sul vetro funzionano meglio in termini di risoluzione spaziale, ma non sono ancora sufficienti per l'analisi strutturale su nanoscala.

Il team di Kim voleva produrre una tecnica in grado di individuare il tipo di cambiamento strutturale che si verifica intorno alle rientranze di livello nanometrico nella superficie del vetro. Nell'ambito dello studio, hanno intaccato la superficie del vetro con una punta minuscola che può creare nano rientranze profonde poche centinaia di nanometri e larghe uno o due micron. Trovare che tipo di cambiamenti strutturali avvengono anche con piccoli livelli di danno è importante perché queste imperfezioni infinitesimali possono influenzare la resistenza del vetro.

Secondo i ricercatori, un esempio di questo è Gorilla Glass, prodotto da Corning Inc. come vetro di visualizzazione per l'elettronica come telefoni cellulari, e più recentemente per i parabrezza di auto e aerei. Questo bicchiere è estremamente forte quando lascia la pianta, ma quando raggiunge i produttori, il vetro è più debole. Ciò è dovuto a piccoli graffi e altri danni durante i contatti fisici effettuati dal contatto cartaceo di spedizione, vibrazione in un camion, seduto nell'imballaggio e spintoni regolari durante lo scarico. I difetti potrebbero non essere visibili, ma sono sufficienti per indebolire il vetro.

Inoltre, il vetro può corrodersi. La corrosione è diversa dalla corrosione del metallo. Nella corrosione del vetro, il vetro perde alcuni dei suoi elementi costitutivi sulla superficie del vetro e le proprietà chimiche del vetro cambiano, che può anche indebolire il vetro.

"Così, come caratterizzare un danno strutturale così invisibile?" ha detto Kim. "Questa è un'area molto importante per la scienza del vetro, come teoricamente, il vetro dovrebbe essere resistente come l'acciaio. Ma il vetro non è resistente come l'acciaio e uno dei motivi principali sono i difetti superficiali".

Quando la squadra di Kim ha fatto le sue minuscole rientranze nel bicchiere, volevano vedere che tipo di cambiamento strutturale si è verificato all'interno e intorno al rientro a causa di danni al vetro.

"Così, perché la dimensione massima dei trattini era di pochi micron, avevamo bisogno di una tecnica di spettroscopia infrarossa altamente risolta nello spazio per caratterizzare questo, " ha detto Kim.

Per vincere questa sfida e "vedere" i danni al vetro, Kim ha contattato un collega, Slava V. Rotkin, Penn State Frontier Professor di Ingegneria e Meccanica, che utilizza una nuova tecnica di strumentazione nota come "mappatura ottica del campo vicino iperspettrale". Questa tecnica offre sia una risoluzione spettrale ottica che un'elevata risoluzione spaziale e utilizza un microscopio ottico a scansione di campo vicino a scansione di dispersione costruito da Neaspec GmpH, una società tedesca di strumenti di imaging e spettroscopia su nanoscala.

"Fino a poco tempo fa, studi come quello di Seong erano o indiretti perché non puoi davvero fare immagini delle piccole cose che accadono su scala nanometrica, o toccheranno cose fisiche come atomi o molecole ma non le proprietà ottiche, " Disse Rotkin. "Allora, il nostro strumento è davvero unico perché permette di fare studi di ottica a scale estremamente ridotte, cosa che in passato non è mai stata possibile".

Il vetro è principalmente ossido di silicio e lo stesso, in linea di principio, come la sabbia o il quarzo cristallino negli orologi, con una netta differenza:il livello dei difetti presenti. La sabbia è come una pietra con molti difetti superficiali, il quarzo cristallino è un cristallo perfetto, e il vetro è una via di mezzo. Questo rende difficile "vedere" il vetro su scala nanometrica, perché ci sono così tante disuniformità. Ma la tecnica di mappatura ottica del campo vicino iperspettrale consente ai ricercatori di azzerare e vedere gli effetti del vetro dal graffio anche al di là del danno topografico.

"È come guardare una grande foresta dall'alto, e ce ne sono tanti, molti alberi, cespugli, funghi, fiori e così via, e non sai davvero cosa guardare, " Ha detto Rotkin. "Gli studenti di Seong hanno graffiato il vetro. E poi vedi il graffio, è interessante e si distingue, come se avessi ripulito un'apertura nella foresta rimuovendo gli alberi. E quando sgomberi gli alberi, potrebbe spingere un cespuglio a terra e in qualche modo cambiare il colore delle foglie a causa di alcuni danni. Forse non riesci a vederlo con lo strumento di visualizzazione che stai utilizzando, ma con il nostro strumento, è come poter vedere quel singolo cespuglio, e non solo, vedi che le foglie sono diventate rosse."

Questo è un passo significativo per la scienza del vetro, secondo i ricercatori.

"Il documento che abbiamo pubblicato in linea di principio apre la nuova strada per apprendere come si verificano queste non uniformità del vetro, e qual è la fisica dietro questo, " ha detto Rotkin. "Vediamo che ci sono cambiamenti meccanici, i graffi stanno producendo cambiamenti fisici, cambiamenti chimici e cambiamenti nelle proprietà ottiche. Questo è estremamente interessante. È davvero un grosso problema".

Capire questo è importante perché la precisione è importante per molti tipi di dispositivi. Una telecamera su un rover su Marte può misurare le proprietà spettrali sulla superficie marziana, ma un graffio sul vetro non solo potrebbe influenzare le proprietà ottiche, ma anche le proprietà meccaniche e chimiche che sono importanti per misurazioni veramente accurate. O, i nano graffi sul vetro della fotocamera di un cellulare non potevano solo cambiare la trasparenza, ma potrebbe anche cambiare i codici colore e produrre foto di qualità inferiore, ha detto la squadra.

"Questo studio riguarda più la comprensione di cosa succede al vetro in modi che non abbiamo mai fatto prima, e senza capire, un processo o un prodotto può essere migliorato semplicemente per tentativi ed errori, " Kim ha detto. "Ma un modo migliore di farlo è lo sviluppo o l'elaborazione basata sulla conoscenza. Così, se non riusciamo a capire che tipo di difetti sono prodotti dal contatto fisico, come possiamo rendere la superficie del vetro migliore o più perfetta, più durevole, meccanicamente e chimicamente?"

Armato di queste informazioni, Kim crede che ci sia una forte possibilità di nuovi progressi nella scienza del vetro.

"Capendo il danno alla superficie nano su materiali di vetro multicomponente usando la tecnica come questa, possiamo aumentare significativamente la nostra comprensione fondamentale della scienza del vetro, " ha detto Kim.