科学家研制出新型玻璃 采用金属有机化合物打造

摘要:

传统玻璃的主要成分是二氧化硅,但是看过《星际迷航》的朋友或许记得其中提到过的某种“透明铝”材料。虽然“科幻照进现实”的事情不常有,但是最近,宾夕法尼亚州立大学的研究人员们还是取得了一项突破 —— 打造了一种基于锌的“金属有机化合物玻璃”。这种材料叫做 ZIF-62,结构式为被咪唑钠(imidazolate)和苯并咪唑(benzimidazolate)分子包围的一个锌原子。

ZIF-62 是一种金属有机化合物(1 金属原子 + 2 种类型的有机化合物)

熟悉玻璃工艺的朋友们,或许对制造过程中掺杂的硼、聚合物、以及金属有一点印象。但是宾夕法尼亚州立大学的最新研究,却是打造了一种全新的玻璃类型。

值得一提的是,这种新材料不仅更易形成玻璃、柔韧性更强、而且与石英玻璃拥有相同的金字塔形原子结构。(锌在顶点,旁边连结了四个有机化合物)

按照学界的定义,“玻璃”必须足够平滑、非晶体结构,因此在生产过程中必须非常小心地做到平衡。无论使用何种材料,都必须先加热到融化的程度、然后迅速冷却(这样才不会有晶体的形成)。

换言之,某种材料拥有避免结晶的方法,即被认作有形成玻璃的能力。传统工艺上,硅玻璃拥有最佳的玻璃形成能力。但是研究人员支出,ZIF-62 的性能更加优异。

实际上,ZIF-62 的特性,已经超越了现有的 50 种玻璃,并且比硅基玻璃更加柔韧。通过调整配方,研究人员发现,苯并咪唑(benzimidazolate)添加得越多、材料的玻璃形成能力就越佳。

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研究配图 - 2:性质变化分析图(via:Science Advances)

当然,与经过数千年提纯改进的硅基玻璃工艺相比,ZIF-62 也不是没有缺点。在发展的初期,新材料还是难以与传统工艺展开有力竞争的。为了制造全新的金属有机玻璃,首先要形成有机化合物。

先将它与水合硝酸锌和一种溶剂相混合,然后以 800 ℉(427 ℃)左右的温度加热很长一段时间,才能完全融化。但如果温度超过了 980 ℉(527 ℃),它又要开始汽化了。

目前研究人员已经对 ZIF-62 的光学和机械性能进行了试验。不过在了解材料本身性质的同时,为了将来能够大规模生产,研究团队也在寻找有关方法。

论文合著者 John C. Mauro 表示:“这种玻璃家族很是新颖,虽然我们已经确定了它的玻璃形成能力和其它一些属性,但还是没有充分地描述他的所有物质特性”。

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在未来,研究人员还计划对其它金属有机玻璃配方进行探讨,包括可能的钴基玻璃。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《科学进展》(Science Advances)期刊上。

[编译自:New Atlas , 来源:Pennsylvania State University]

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