Van torenhoge wolkenkrabbers tot kleine en prachtige chronograafhorloges: glas is overal in het leven te zien.
Vóór de twee zittingen van het Nationale Volkscongres zei Peng Shou, een vertegenwoordiger van het Nationale Volkscongres, een academicus van de Chinese Academie voor Techniek, hoofdingenieur van de China National Building Materials Group en president van China National Building Materials Glass New Materials Research Institute, zei in een interview met verslaggevers dat we energiebesparing en koolstofreductie in de glasindustrie krachtig moeten bevorderen, zodat de Chinese glasindustrie "groen wordt".
In feite moet glas niet alleen "groen worden", maar er mag ook van worden verwacht dat het "verjongt" - naarmate de gebruikstijd toeneemt, zal glas verouderingsverschijnselen veroorzaken, wat meestal gepaard gaat met de verslechtering van fysieke, mechanische en andere eigenschappen. Hoe verouderende glasachtige stoffen kunnen worden "verjongd" en hun eigenschappen kunnen worden hersteld, heeft de afgelopen jaren steeds meer aandacht gekregen van de wetenschappelijke gemeenschap.
Eind 2022 onthulde het team van Jiang Minqiang, een onderzoeker aan het Institute of Mechanics van de Chinese Academie van Wetenschappen, door middel van onderzoek een nieuw verjongingsmechanisme voor ernstig verouderde metalen glazen, en verdiepte het begrip van de verjonging van glasstructuren. De relevante onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de National Natural Science Foundation of China, beheerd door de National Natural Science Foundation of China. Fundamenteel Onderzoek, een multidisciplinair Engelstalig tijdschrift gesponsord door
Glasveroudering: langzame overgang van wanorde naar orde
Om glas te laten "verjongen", moeten we eerst begrijpen hoe glas "groeit".
Jiang Minqiang introduceerde dat glas vanuit microscopisch perspectief een amorfe vaste stof is met een onregelmatige structuur. Hij gaf verslaggevers een voorbeeld: in kristallijne vaste stoffen zoals staal lijken atomen op studenten die rustig in een klaslokaal zitten, op een ordelijke manier gerangschikt en regelmatige vormen vertonen. In glas, een amorfe vaste stof met een onregelmatige structuur, zijn atomen als studenten die na de les rondrennen op de campus, en hun rangschikking is wanordelijk.
Het fenomeen glasveroudering is in wezen de transformatie van glas van een ongeordende staat wanneer het aanvankelijk wordt gevormd naar een geordende staat. ‘Over het algemeen is de totale energie van materie in een ongeordende staat hoger, terwijl in een geordende staat de totale energie van materie lager is. Naarmate de tijd verstrijkt, zal glas geleidelijk transformeren van een toestand met hoge energie naar een toestand met lage energie. Dit proces wordt over het algemeen glasveroudering genoemd. "Jiang Minqiang legde uit dat als de veroudering lang genoeg is, of als de veroudering wordt versneld door verhitting, het glas zelfs kan veranderen in een vast kristal met een regelmatige structuur.
Glasveroudering zal veel eigenschappen beïnvloeden, zoals de taaiheid, optische eigenschappen en elektrische geleidbaarheid van het glas. Het is een fenomeen dat mensen willen uitstellen of zelfs vermijden. Daarom heeft glasverjonging, als een proces om glasveroudering om te keren, al lang brede aandacht gekregen van wetenschappelijke onderzoekers.
"Glasverjonging is het omgekeerde proces van glasveroudering, dat wil zeggen dat het glas waarvan de atomen na veroudering relatief geordend zijn geworden, langzaam terugkeert naar een toestand van relatief ongeordende atomen", zei Jiang Minqiang. In eerdere onderzoeken naar glasverjonging ontdekten onderzoekers dat verjongd glas een deel van de warmte-enthalpie vrijgeeft wanneer het tot een bepaalde temperatuur wordt verwarmd, en hoe hoger de mate van verjonging van het glas, hoe groter de warmte-enthalpie die vrijkomt tijdens verwarming. veel. Thermische enthalpie is een belangrijke toestandsparameter die de energie van een materiaalsysteem karakteriseert. In termen van de leek is enthalpie de energie die vrijkomt door verjongd glas tijdens het verwarmingsproces.
"Ons onderzoek toont aan dat het bovenstaande standpunt niet van toepassing is op ernstig verouderd glas. Naarmate de mate van verjonging van ernstig verouderd glas toeneemt, verandert de afgifte van warmte-enthalpie niet, of komt er zelfs helemaal geen warmte-enthalpie vrij." Onderzoek door het team van Jiang Minqiang laat zien dat de eerdere opvattingen over het verouderingsmechanisme van glas niet van toepassing zijn op ernstig verouderd glas, wat het inzicht van mensen in het verjongingsmechanisme van de glasstructuur bijwerkt.
"Onbedoelde invoeging": De onderzoeksresultaten zijn onverwacht
"Eigenlijk kwam de doorbraak in dit onderzoek voort uit een 'onbedoelde' poging van ons onderzoeksteam." Jiang Minqiang zei dat het oorspronkelijke doel van dit experiment alleen maar was om experimentele monsters te bereiden. "Ons team heeft het monster oorspronkelijk voorbereid voor een ander experiment. Om de wetenschappelijke aard van het experiment te versterken, is het noodzakelijk om de thermische geschiedenis van het monster te elimineren en ervoor te zorgen dat ze een consistente structuur hebben. We hebben een gloeibewerking bij lage temperatuur uitgevoerd op het glasmonster - het metallische glas langzaam verwarmen tot een bepaalde temperatuur en dit gedurende een voldoende tijd handhaven, en vervolgens met een bepaalde snelheid afkoelen tot kamertemperatuur. "Vervolgens verjongde het onderzoeksteam het ernstig verouderde glas door mechanische vervorming. Het resultaat was onverwacht: "We voeren uiteraard energie in het glas door mechanisch werk, dus waarom geven deze glazen geen warmte af en worden ze jonger?" Dit is in strijd met de eerdere mainstreamvisie.
Dit resultaat bracht het onderzoeksteam in verwarring. Om het mysterie op te lossen heeft het onderzoeksteam, naast het meten van de thermische enthalpie, ook de soortelijke warmte bij hoge temperatuur (450K-750K) en lage temperatuur (1,9K-100K) gemeten het glasmonster, en onderzocht vervolgens de atomaire trillingsinformatie en topologische structuurinformatie van het glas. "Tijdens het experiment ontdekte het onderzoeksteam dat, hoewel de parameter van de enthalpie-afgifte vóór de glastransitie in sommige gevallen onveranderd bleef, de effectieve enthalpieverandering tijdens de glastransitie en de soortelijke warmte van atomen bij lage temperatuur weerkaatste. De twee fysieke grootheden van de De vibratiepiek van Bose zal dienovereenkomstig veranderen,” legde Jiang Minqiang verder uit. “Dit toont aan dat het vrijkomen van thermische enthalpie niet de enige fysieke grootheid is die de verjonging van glas weerspiegelt.”
Toen hij sprak over waarom de warmte-enthalpie-afgifte onveranderd blijft, legde Jiang Minqiang opnieuw uit met een levendig voorbeeld: "Als we een kleine bal in de uitsparing van het 'concave' gevormde vlak plaatsen, zal de kleine bal natuurlijk stationair blijven. Dit soort dingen stabiliteit De toestand is als die van ernstig verouderd glas. En als we dit 'concave' gevormde vlak onder een bepaalde hoek kantelen, blijft de toestand van het concave, dat wil zeggen het energieniveau van het glasachtige materiaal, vrijwel onveranderd. glas vertegenwoordigd door de kleine bal zal hetzelfde blijven. Het zal onstabiel worden en het fenomeen van glasverjonging zal optreden.
Onderzoeksresultaten laten zien dat, naast eerdere mainstream opvattingen, glasverjonging direct kan worden weerspiegeld in het vrijkomen van warmte-enthalpie, dat wil zeggen een toename van het energieniveau, of dat het ook kan worden weerspiegeld in de kanteling van het energieoppervlak, dat wil zeggen , door de herschikking van de lokale structuur. Het vrije volume wordt herverdeeld in de ruimte. "Dit is het nieuwe mechanisme voor verjonging van ernstig verouderde glasachtige materialen dat we hebben ontdekt." zei Jiang Minqiang.
Uitbreidende scenario's: het bieden van een brede toepassingsruimte
Uit dit onderzoek bleek ook dat wanneer het glas een stabiele stromingstoestand bereikt, de drie bovengenoemde fysieke parameters die verjonging kenmerken, elk naar verzadigingswaarden zullen neigen. Zo werd voor het eerst experimenteel vastgesteld dat de bovengrens van verjonging van de glasstructuur de 'bevroren' stabiele stromingstoestand is.
Als we water als analogie gebruiken, is glas dat bij hoge temperaturen vloeibaar wordt als water, terwijl glas dat bij lage temperaturen stolt als ijs is. "De grens van het verjongen van de glasstructuur is het plotseling bevriezen van de glasvloeistof op hoge temperatuur door extreem snelle afkoeling, waardoor een materiële toestand ontstaat die lijkt op 'bevroren stromend water'." Jiang Minqiang legde uit: "In dit geval zal het glas in een vaste staat verschijnen. Met behoud van een materiële structuur die bijna hetzelfde is als een vloeistof, zal de vloeibaarheid ervan de grens van het huidige begrip bereiken."
Het nieuwe verjongingsmechanisme van glasachtige stoffen dat in dit onderzoek wordt onthuld, stelt ons niet alleen in staat de oorzaken en processen van glasveroudering beter te begrijpen vanuit een fysiek perspectief, maar biedt ook een enorme potentiële toepassingsruimte bij het bevorderen van de batchverjonging van verouderd glas. . "Het onderzoeksteam communiceert momenteel met bedrijven die zich bezighouden met glasproductie of onderzoek en ontwikkeling, in een poging een goed combinatiepunt te vinden om de technologie op de markt te promoten."
Bovendien ontdekte Jiang Minqiang ook dat het nieuwe mechanisme dat in dit onderzoek wordt onthuld, naar verwachting ook zal worden toegepast bij de bereiding van geavanceerde metalen materialen.
"Over het algemeen kunnen de sterkte en taaiheid van metalen materialen niet met elkaar compatibel zijn. Naarmate de sterkte toeneemt, zal de taaiheid afnemen, en vice versa." Jiang Minqiang zei: "Hoe deze inherente omgekeerde relatie te overwinnen is door beide voor te bereiden. Sterkte en taaiheid van geavanceerde metalen materialen moeten onder ogen worden gezien."
Metaalmaterialen met een hoge sterkte hebben over het algemeen een zeer laag totaal energieniveau op microscopisch niveau. Als energie wordt ingevoerd via verwarming en andere methoden, vergt het proberen om de taaiheid van metalen materialen te verbeteren door het totale energieniveau te verhogen vaak extreem hoge energie-investeringen, wat bijna onmogelijk te bereiken is.
"Als we het nieuwe mechanisme dat in dit onderzoek is ontdekt kunnen gebruiken om de hoek van het energieoppervlak van metalen materialen aan te passen wanneer het totale energieniveau laag is, kunnen we de wanorde van de atomen vergroten terwijl dezelfde macroscopische sterkte behouden blijft, waardoor de taaiheid van metaal wordt verbeterd." Door deze methode kunnen we enorme energie-input effectief vermijden en de kosten voor het bereiden van hoogwaardige metalen materialen aanzienlijk verlagen. "Jiang Minqiang zei dat zijn team momenteel beslissende doorbraken probeert te bereiken. Het biedt nieuwe ideeën om de al lang bestaande onverenigbare tegenstelling tussen de sterkte en taaiheid van metalen materialen op te lossen.