利用光譜法改善玻璃產(chǎn)品

玻璃上的劃痕或凹痕會影響其美觀，但那些肉眼看不見的納米級缺陷又如何呢？這些納米級缺陷是由微小異物撞擊玻璃表面產(chǎn)生的，會導(dǎo)致玻璃機械性能和技術(shù)應(yīng)用性能的下降。

需要了解這種損傷的影響，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員首次利用光譜法揭示了納米級磨損和損傷對硅玻璃造成的地下變化。

玻璃表面科學(xué)

研究團隊以大猩猩玻璃為例，說明納米壓痕或瑕疵會改變材料的性質(zhì)。這種玻璃常用于手機等電子產(chǎn)品的顯示屏玻璃，最近也用于汽車和飛機的擋風(fēng)玻璃。出廠時，這種玻璃非常堅固，但到達制造商手中時，其強度就會降低。

賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)工程杰出教授 Seong Kim 研究玻璃表面科學(xué)。他解釋說，他的研究小組“主要關(guān)注玻璃的性能、結(jié)構(gòu)以及機械和化學(xué)性能之間的關(guān)系，尤其是機械耐久性和化學(xué)耐久性”。

Kim 和他的團隊一直在使用的技術(shù)之一是振動光譜法，“但玻璃表面納米級結(jié)構(gòu)分析的挑戰(zhàn)在于，人們廣泛使用的許多光譜技術(shù)在這里不起作用， ”Kim 說。

例如，紅外光譜可以檢測表面缺陷，但檢測范圍有限；任何小于10微米（低于紅外光譜波長）的缺陷都無法進行適當(dāng)?shù)姆治龌虺上?。拉曼光譜在玻璃研究領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛，其空間分辨率更高，但在結(jié)構(gòu)分析方面仍不夠理想。

新型光譜技術(shù)

因此，Kim和他的研究小組開發(fā)了一種光譜技術(shù)，能夠確定石英玻璃表面納米級凹痕周圍發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。他們利用納米級紅外光譜和反應(yīng)分子動力學(xué)模擬來研究這些表面下的變化。

研究團隊用一個微小的尖端在玻璃表面壓出幾百納米深、一到兩微米寬的納米壓痕?！坝捎趬汉鄣淖畲蟪叽缰挥袔孜⒚祝覀冃枰环N高度空間分辨的紅外光譜技術(shù)來表征它，” Kim解釋說。

他們采用了一種稱為高光譜近場光學(xué)映射的新儀器技術(shù)，該技術(shù)既提供光譜分辨率，又提供高空間分辨率，并利用散射掃描近場光學(xué)顯微鏡。

“直到最近，像 Seong 這樣的研究要么是間接的（因為你無法真正對納米尺度上發(fā)生的微小事件進行成像），要么會觸及原子或分子等物理事物，但不會觸及光學(xué)特性，”實施這項新技術(shù)的賓夕法尼亞州立大學(xué)前沿工程科學(xué)與力學(xué)教授 Slava V. Rotkin 解釋道。

因此，我們的儀器非常獨特，因為它可以讓你在極小的尺度上進行光學(xué)研究，這在過去是不可能實現(xiàn)的?！?/p>

斯拉瓦·V·羅特金（Slava V. Rotkin），賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)前沿教授

研究表明，二氧化硅內(nèi)部的硅氧鍵長分布在缺陷周圍被拉長。這意味著硅氧鍵在凹痕周圍比在原始區(qū)域略長，并且伴隨分子體積的減小。研究人員認為，這表明亞埃級（即低于0.1納米）的化學(xué)可塑性。

這項新的光譜技術(shù)可以識別玻璃中一些最細微的缺陷。該團隊希望，發(fā)表在《Acta Materialia》上的研究成果能夠改善日常生活中廣泛使用的玻璃產(chǎn)品，例如電子顯示屏和汽車擋風(fēng)玻璃。