Des de gratacels alts fins a rellotges cronògrafs petits i exquisits, el vidre es pot veure a tot arreu de la vida.
Abans de les dues sessions del Congrés Nacional del Poble, Peng Shou, un representant del Congrés Nacional del Poble, un acadèmic de l'Acadèmia Xinesa d'Enginyeria, enginyer en cap del Grup Nacional de Materials de Construcció de la Xina i president de la Recerca de nous materials de vidre de materials de construcció nacional de la Xina. Institute, va dir en una entrevista amb els periodistes que hem de promoure enèrgicament la conservació de l'energia i la reducció de carboni a la indústria del vidre, de manera que el vidre de la Xina La indústria "està tornant verda".
De fet, el vidre no només ha de ser "verd", sinó que també s'ha d'esperar que "rejoveni": a mesura que augmenta el temps de servei, el vidre produirà fenòmens d'envelliment, que sol anar acompanyat del deteriorament de les propietats físiques, mecàniques i altres. Com "rejovenir" les substàncies vidrees envellides i restaurar-ne les propietats ha cridat cada cop més l'atenció de la comunitat científica en els últims anys.
A finals de 2022, l'equip de Jiang Minqiang, investigador de l'Institut de Mecànica de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, va revelar un nou mecanisme de rejoveniment per a vidres metàl·liques severament envellits mitjançant la investigació i va aprofundir en la comprensió del rejoveniment de les estructures de vidre. Els resultats de la investigació rellevants es van publicar a la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina, gestionada per la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina. Fundamental Research, una revista multidisciplinària en anglès patrocinada per
Envelliment del vidre: transició lenta del desordre a l'ordre
Perquè el vidre "rejoveni", primer hem d'entendre com "creix" el vidre.
Jiang Minqiang va introduir que des d'una perspectiva microscòpica, el vidre és un sòlid amorf amb una estructura irregular. Va donar un exemple als periodistes: en els sòlids cristal·lins com l'acer, els àtoms són com els estudiants asseguts en silenci a una aula, disposats de manera ordenada i que mostren formes regulars. En el vidre, un sòlid amorf amb una estructura irregular, els àtoms són com estudiants després de classe, corrent pel campus, i la seva disposició està desordenada.
El fenomen de l'envelliment del vidre és essencialment la transformació del vidre d'un estat desordenat quan es forma inicialment a un estat ordenat. "En termes generals, l'energia total de la matèria en un estat desordenat és més alta, mentre que en un estat ordenat, l'energia total de la matèria és menor. Amb el pas del temps, el vidre es transformarà gradualment d'un estat d'alta energia a un de baixa energia. Aquest procés s'anomena generalment envelliment del vidre "Jiang Minqiang va explicar que si el temps d'envelliment és prou llarg, o l'envelliment s'accelera amb l'escalfament, el vidre fins i tot es pot transformar en un cristall sòlid amb una estructura regular.
L'envelliment del vidre afectarà moltes propietats, com ara la duresa, les propietats òptiques i la conductivitat elèctrica del vidre. És un fenomen que la gent vol retardar o fins i tot evitar. Per tant, com a procés per revertir l'envelliment del vidre, el rejoveniment del vidre ha rebut durant molt de temps una atenció generalitzada per part dels investigadors científics.
"El rejoveniment del vidre és el procés invers de l'envelliment del vidre, és a dir, el vidre els àtoms del qual s'han ordenat relativament després de l'envelliment torna lentament a un estat d'àtoms relativament desordenats", va dir Jiang Minqiang. En estudis anteriors sobre el rejoveniment del vidre, els investigadors van trobar que el vidre rejovenit alliberarà part de l'entalpia de calor quan s'escalfa a una temperatura determinada, i com més gran sigui el grau de rejoveniment del vidre, més gran serà l'entalpia de calor alliberada durant l'escalfament. molts. L'entalpia tèrmica és un paràmetre d'estat important que caracteritza l'energia d'un sistema material. En termes senzills, l'entalpia és l'energia alliberada pel vidre rejovenit durant el procés d'escalfament.
"La nostra investigació mostra que el punt de vista anterior no s'aplica al vidre molt envellit. A mesura que augmenta el grau de rejoveniment del vidre severament envellit, la seva alliberació d'entalpia de calor no canvia, o fins i tot no té cap alliberament d'entalpia de calor". La investigació de l'equip de Jiang Minqiang mostra que les opinions anteriors sobre el mecanisme d'envelliment del vidre no són aplicables al vidre molt envellit, cosa que actualitza la comprensió de la gent del mecanisme de rejoveniment de l'estructura del vidre.
"Inserció no intencionada": els resultats de la investigació són inesperats
"En realitat, l'avenç d'aquesta investigació prové d'un intent" no intencionat "del nostre equip de recerca". Jiang Minqiang va dir que l'objectiu original d'aquest experiment era només preparar mostres experimentals. "El nostre equip va preparar originalment la mostra per a un altre experiment. Per reforçar la naturalesa científica de l'experiment, cal eliminar la història tèrmica de la mostra i assegurar-nos que tinguin una estructura consistent. Hem realitzat una operació de recuit a baixa temperatura. a la mostra de vidre: escalfant lentament el vidre metàl·lic a una temperatura determinada i mantenir-lo durant un temps suficient, i després refredar-lo a temperatura ambient a una velocitat determinada "Llavors, l'equip d'investigació va rejovenir el vidre molt envellit mitjançant la deformació mecànica. El resultat va ser inesperat: "Òbviament introduïm energia al vidre mitjançant un treball mecànic, així que per què aquestes ulleres no alliberen calor i es tornen més joves?" Això és contrari a la visió general anterior.
Aquest resultat va deixar confós l'equip d'investigació. Per tal de resoldre el misteri, a més de mesurar l'entalpia tèrmica, l'equip d'investigació també va mesurar la calor específica d'alta temperatura (450K-750K) i de baixa temperatura (1,9K-100K) de la mostra de vidre i després va investigar la informació de la vibració atòmica i la informació de l'estructura topològica del vidre. "Durant l'experiment, l'equip d'investigació va trobar que, tot i que el paràmetre d'alliberament d'entalpia abans de la transició vítrea es va mantenir sense canvis en alguns casos, el canvi d'entalpia efectiu durant la transició vítrea i la calor específica dels àtoms a baixa temperatura es reflectien. No obstant això, les dues quantitats físiques del El pic vibracional de Bose canviarà en conseqüència", va explicar Jiang Minqiang, "Això demostra que l'alliberament d'entalpia tèrmica no és l'única quantitat física que reflecteix el rejoveniment del vidre".
Quan es parla de per què l'alliberament d'entalpia de calor es manté sense canvis, Jiang Minqiang va tornar a explicar amb un exemple viu: "Si col·loquem una petita bola al rebaix del pla amb forma 'còncava', la petita bola romandrà naturalment estacionària. Aquest tipus de estabilitat L'estat és com el del vidre severament envellit I si inclinem aquest pla amb forma "còncava" en algun angle, encara que l'alçada del còncau, és a dir, el nivell d'energia del material vidre es manté gairebé sense canvis, l'estat del còncau. el vidre representat per la petita bola es mantindrà igual, es tornarà inestable i es produirà el fenomen del rejoveniment del vidre".
Els resultats de la investigació mostren que, a més de les opinions principals anteriors, el rejoveniment del vidre es pot reflectir directament en l'alliberament d'entalpia de calor, és a dir, un augment del nivell d'energia, o també es pot reflectir en la inclinació de la superfície d'energia, és a dir. , mitjançant la reordenació de l'estructura local. El volum lliure es redistribueix a l'espai. "Aquest és el nou mecanisme per al rejoveniment dels materials vidris molt envellits que vam descobrir". Jiang Minqiang va dir.
Escenaris expansius: proporcionar un ampli espai d'aplicacions
Aquest estudi també va trobar que a mesura que el vidre entra en un estat de flux estable, els tres paràmetres físics anteriors que caracteritzen el rejoveniment tendiran cadascun als valors de saturació, determinant així per primera vegada experimentalment que el límit superior del rejoveniment de l'estructura del vidre és el "congelat" constant. flux d'estat. estat.
Si fem servir l'aigua com a analogia, el vidre que es torna líquid a altes temperatures és com l'aigua, mentre que el vidre que es solidifica a baixes temperatures és com el gel. "El límit de rejovenir l'estructura de vidre és congelar sobtadament el líquid de vidre d'alta temperatura mitjançant un refredament extremadament ràpid, formant així un estat material similar a l'"aigua corrent congelada". Jiang Minqiang va explicar: "En aquest cas, el vidre apareixerà en estat sòlid. Mantenint una estructura material que és gairebé la mateixa que un líquid, la seva fluïdesa arribarà al límit de la comprensió actual".
El nou mecanisme de rejoveniment de substàncies vítries revelat en aquest estudi no només ens permet entendre millor les causes i els processos de l'envelliment del vidre des d'una perspectiva física, sinó que també té un gran espai d'aplicació potencial per promoure el rejoveniment per lots del vidre envellit. . "L'equip d'investigació s'està comunicant actualment amb empreses dedicades a la producció de vidre o a la investigació i desenvolupament, intentant trobar un bon punt de combinació per promocionar la tecnologia al mercat".
A més, Jiang Minqiang també va descobrir que el nou mecanisme revelat en aquest estudi també s'espera que s'apliqui en la preparació de materials metàl·lics avançats.
"En termes generals, la resistència i la duresa dels materials metàl·lics no poden ser compatibles entre si. A mesura que augmenta la resistència, la tenacitat disminuirà, i viceversa". Jiang Minqiang va dir: "Com superar aquesta relació invertida inherent és preparar tant la força com la duresa dels materials metàl·lics avançats".
Els materials metàl·lics d'alta resistència generalment tenen nivells d'energia total molt baixos a nivell microscòpic. Si s'introdueix energia mitjançant calefacció i altres mètodes, intentar millorar la duresa dels materials metàl·lics augmentant el nivell d'energia total sovint requereix una inversió energètica extremadament alta, que és gairebé impossible d'aconseguir.
"Si podem utilitzar el nou mecanisme descobert en aquest estudi per ajustar l'angle de superfície d'energia dels materials metàl·lics quan el nivell d'energia total és baix, podem augmentar el desordre dels àtoms mantenint la mateixa força macroscòpica, millorant així la tenacitat del metall. Mitjançant aquest mètode, podem evitar eficaçment una gran aportació d'energia i reduir molt el cost de la preparació de materials metàl·lics d'alta resistència ", va dir que el seu equip està intentant aconseguir avenços decisius. Proporciona noves idees per resoldre la contradicció irreconciliable de llarga data entre la força i la duresa dels materials metàl·lics.