Il vetro viene utilizzato in una gamma più ampia di applicazioni ad alte prestazioni, comprese quelle per i consumatori e l'industria, l'elettronica militare e aerospaziale, i rivestimenti e l'ottica. A causa dell'estrema precisione richiesta per l'uso in prodotti come telefoni cellulari e aerei a reazione, i substrati di vetro non devono cambiare forma durante il processo di produzione.

Corning Incorporated, produttore di vetro innovativo, ceramica e materiali correlati, investe un'enorme quantità di risorse nello studio della stabilità di diversi tipi di vetro. Recentemente, i ricercatori della Corning hanno scoperto che comprendere la stabilità degli anelli di atomi nei materiali di vetro può aiutarli a prevedere le prestazioni dei prodotti di vetro. Questa capacità è importante perché il vetro più utilizzato è il vetro ai silicati, che consiste in anelli atomici di diverse dimensioni collegati in tre dimensioni.

Conducendo esperimenti di diffusione dei neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia, gli scienziati dell'ORNL e della Corning hanno scoperto che all'aumentare del numero di anelli atomici più piccoli e meno stabili in un vetro, aumenta anche l'instabilità, o fragilità del liquido, del vetro. /P>

I risultati degli esperimenti sui neutroni, pubblicati su Nature Communications , rivelano una chiara correlazione tra la struttura dell'anello atomico a medio raggio di un vetro silicato e la sua fragilità liquida. La viscosità del vetro liquido cambia considerevolmente quando viene raffreddato alla temperatura di transizione vetrosa. Un liquido più fragile avrà una variazione di viscosità maggiore con un dato cambiamento di temperatura.

"In precedenza, il meccanismo che guida le transizioni vetrose era sfuggito agli scienziati", ha affermato Ying Shi, autore corrispondente dell'articolo dello studio e ricercatore associato presso Corning. "Non c'era una chiara comprensione del motivo per cui alcuni tipi di vetro si solidificavano più velocemente o più lentamente."

Shi e i suoi collaboratori di Corning, dell'Università della California, di Los Angeles e dell'Università di Oxford hanno lavorato con gli scienziati della linea di luce del diffrattometro di neutroni NOMAD presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL per studiare il vetro alluminosilicato, comunemente utilizzato dall'industria.

Utilizzando uno strumento di analisi dei dati di diffusione dei neutroni recentemente sviluppato e convalidato, RingFSDP, il team ha identificato modelli chiave nei dati raccolti che hanno rivelato la relazione tra la fragilità del liquido nel vetro e la stabilità dell'anello atomico.

RingFSDP è un programma gratuito e open source sviluppato dagli scienziati Corning e ORNL per studiare le strutture degli anelli atomici del vetro silicato. Deriva le distribuzioni delle dimensioni dell'anello nel vetro silicato dalla forma del primo picco di diffrazione netto nei dati di diffrazione dei neutroni.

"Collegare l'intervallo di temperature di transizione vetrosa alle caratteristiche strutturali sottostanti di un vetro avrà un impatto significativo sulla progettazione e produzione del vetro", ha affermato Douglas Allan, coautore dell'articolo e ricercatore presso Corning. "Il nostro lavoro mostra una chiara correlazione tra la struttura dell'anello atomico di un vetro e il suo intervallo di temperature di transizione vetrosa e quindi le caratteristiche prestazionali del vetro."

Ulteriori informazioni: Ying Shi et al, Rivelare la relazione tra fragilità dei liquidi e ordine a medio raggio nei vetri di silicato, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-022-35711-6

Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura

Fornito da Oak Ridge National Laboratory