看到以前看不见的纳米级玻璃损伤

一组国际研究人员首次通过光谱法揭示了由于纳米级磨损和损坏引起的石英玻璃的表面下结构变化，这可能导致玻璃产品的改进，例如电子显示器和车辆挡风玻璃。

“我组的主要研究领域之一是玻璃表面科学，主要是玻璃的性质，结构与机械和化学性质之间的关系，尤其是机械耐久性和化学耐久性，”宾夕法尼亚州立大学杰出化学教授Seong Kim工程和该研究的共同主要作者在Acta Materialia中表示。“而且，我们一直使用的一种技术是振动光谱。但是，对玻璃表面进行纳米级结构分析的挑战在于，人们广泛使用的许多光谱技术在这里都行不通。”

红外光谱只能检测到一定程度的表面缺陷。如果在玻璃表面上产生的缺陷类型小于10微米(低于红外光谱的10微米波长)，则无法正确分析或成像该缺陷。在玻璃研究领域中使用的拉曼光谱等分析技术在空间分辨率方面效果更好，但仍不足以进行纳米级结构分析。

Kim的团队希望产生一种技术，该技术将发现进入玻璃表面的纳米级压痕周围会发生什么样的结构变化。作为研究的一部分，他们用一个微小的尖端在玻璃表面上压痕，可以使纳米压痕深达几百纳米，宽一到两微米。重要的是找到即使在很小程度的损坏下仍会发生什么样的结构变化，因为这些微小的缺陷会影响玻璃的强度。

研究人员称，康宁公司生产的大猩猩玻璃就是一个例子，它是用于手机等电子产品的显示屏玻璃，最近用于汽车和飞机的挡风玻璃。离开工厂时，这种玻璃非常坚固，但是到制造商时，玻璃变得更弱了。这是由于在运输过程中因纸张接触，卡车振动，坐在包装中以及在卸货过程中有规律的颠簸而造成的细微划痕和其他物理损坏。缺陷可能看不见，但足以削弱玻璃。

此外，玻璃还会腐蚀。腐蚀不同于金属腐蚀。在玻璃腐蚀中，玻璃失去了玻璃表面上的某些组成元素，并且玻璃的化学性质发生了变化，这也会削弱玻璃。

“那么，如何表征这种无形的结构破坏呢?” 金说。“这是玻璃科学的一个非常重要的领域，从理论上讲，玻璃应该像钢一样坚固。但是玻璃不如钢那么坚固，主要原因之一是表面缺陷。”

当Kim的团队将超微小的压痕放入玻璃杯中时，他们想看看由于玻璃的损坏而在压痕内部和周围发生了什么样的结构变化。

“因此，由于压痕的最大尺寸只有几微米，因此我们需要一种高度空间分辨的红外光谱技术来对此进行表征，”金说。

为了克服这一挑战并“看到”玻璃的损坏，Kim与同事，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学前沿教授Slava V. Rotkin取得了联系，后者使用一种称为“高光谱近场光学标测”的新仪器技术。该技术既提供光谱分辨率又提供高空间分辨率，并使用由德国纳米级成像和光谱仪器公司Neaspec GmpH制造的散射扫描近场光学显微镜。

Rotkin说：“直到最近，像Seong的研究还是间接的，因为您不能真正对纳米级发生的小物体进行成像，否则它们将触及原子或分子等物理物体，而不是光学性质。” “因此，我们的仪器确实是独一无二的，因为它允许您以极小的比例进行光学研究，而这在过去是不可能的。”

玻璃主要是氧化硅，原则上与手表中的沙子或晶体石英相同，但存在明显的差异-存在的缺陷水平。沙子就像具有许多表面缺陷的石头，结晶石英是完美的晶体，而玻璃则介于两者之间。由于存在许多不均匀性，因此很难以纳米级“观察”玻璃。但是，高光谱近场光学测绘技术使研究人员可以将划痕归零，并看到划痕对玻璃的影响，甚至超出了地形破坏。

罗特金说：“这就像从上方观看一片大森林，那里有很多很多的树木，灌木，蘑菇，鲜花等，而且你真的不知道要看什么。” “ Seong的学生在玻璃上划了划痕。然后，您会看到划痕，这很有趣并且脱颖而出，就像您通过移走树木清除森林中的开口一样。当您清除树木时，可能会将灌木丛推向树皮。地面，它会由于某些损坏而改变树叶的颜色。也许您看不到所用的观察仪器，但是使用我们的仪器，就好像能够看到单个的灌木丛，不仅如此，看到叶子变红了。”

研究人员说，这对玻璃科学是重要的一步。

罗特金说：“我们原则上发表的论文为了解这些玻璃不均匀现象是如何发生的，以及其背后的物理原理开辟了一条新途径。” “我们看到机械变化，划痕产生物理变化，化学变化以及光学性质的变化。这非常有趣。这确实非常重要。”

了解这一点很重要，因为精度对于许多类型的设备都很重要。火星探测器上的照相机可以测量火星表面的光谱特性，但是玻璃上的刮痕不仅会影响光学特性，而且还会影响对于真正精确测量至关重要的机械和化学特性。研究小组表示，或者，手机摄像头玻璃上的纳米划痕不仅会改变透明度，而且还会改变颜色代码并导致照片质量降低。

Kim说：“这项研究更多地是关于以前所未有的方式了解玻璃发生的事情，如果不了解，可以通过反复试验来改善工艺或产品。” “但是，更好的方法是基于知识的开发或加工。因此，如果我们无法理解物理接触会造成什么样的缺陷，那么我们如何才能使玻璃表面更好或更完美，更耐用，在机械上和化学地?”

掌握了这些信息后，Kim相信玻璃科学领域有很大进步的可能性很大。

Kim说：“通过使用这种技术了解多组分玻璃材料的纳米表面损伤，我们可以显着提高对玻璃科学的基本了解。”

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