No augstiem debesskrāpjiem līdz maziem un izsmalcinātiem hronogrāfa pulksteņiem stiklu var redzēt visur dzīvē.
Pirms divām Nacionālā tautas kongresa sesijām Pengs Šou, Nacionālā Tautas Kongresa pārstāvis, Ķīnas Inženierzinātņu akadēmijas akadēmiķis, Ķīnas Nacionālās būvmateriālu grupas galvenais inženieris un Ķīnas Nacionālās būvmateriālu stikla jauno materiālu izpētes prezidents. Institūts intervijā ar reportieriem teica, ka mums ir enerģiski jāveicina enerģijas taupīšana un oglekļa samazināšana stikla rūpniecībā, lai Ķīnas stikls Nozare "iet zaļā".
Faktiski stiklam ir ne tikai "jākļūst zaļam", bet arī jāsagaida, ka tas "atjaunojas" - pieaugot kalpošanas laikam, stikls radīs novecošanas parādības, ko parasti pavada fizisko, mehānisko un citu īpašību pasliktināšanās. Kā "atjaunot" novecojošas stiklveida vielas un atjaunot to īpašības pēdējos gados ir pievērsta arvien lielāka zinātnieku uzmanība.
2022. gada beigās Ķīnas Zinātņu akadēmijas Mehānikas institūta pētnieka Dzjana Mincjana komanda, veicot pētījumus, atklāja jaunu atjaunošanās mehānismu stipri novecojušiem metāla stikliem un padziļināja izpratni par stikla konstrukciju atjaunošanos. Attiecīgie pētījumu rezultāti tika publicēti Ķīnas Nacionālajā dabaszinātņu fondā, ko pārvalda Ķīnas Nacionālais dabaszinātņu fonds. Fundamental Research, daudznozaru žurnāls angļu valodā, ko sponsorē
Stikla novecošana: lēna pāreja no nekārtības uz pasūtījumu
Lai stikls "atjaunotos", vispirms jāsaprot, kā stikls "aug".
Jiang Minqiang iepazīstināja, ka no mikroskopiskā viedokļa stikls ir amorfa cieta viela ar neregulāru struktūru. Viņš žurnālistiem sniedza piemēru: kristāliskās cietās vielās, piemēram, tēraudā, atomi ir kā skolēni, kas klusi sēž klasē, sakārtoti un rāda regulāras formas. Stiklā, amorfā cietā vielā ar neregulāru struktūru, atomi ir kā studenti pēc stundām, kas skraida pa universitātes pilsētiņu, un to izvietojums ir nesakārtots.
Stikla novecošanas fenomens būtībā ir stikla pārveide no nesakārtota stāvokļa, kad tas sākotnēji tiek izveidots sakārtotā stāvoklī. "Vispārīgi runājot, nesakārtotā stāvoklī matērijas kopējā enerģija ir lielāka, savukārt sakārtotā stāvoklī matērijas kopējā enerģija ir mazāka. Laika gaitā stikls pakāpeniski pārveidosies no augstas enerģijas stāvokļa uz zemu enerģiju. Šo procesu parasti sauc par stikla novecošanu.
Stikla novecošana ietekmēs daudzas stikla īpašības, piemēram, izturību, optiskās īpašības un elektrisko vadītspēju. Tā ir parādība, no kuras cilvēki vēlas aizkavēt vai pat izvairīties. Tāpēc kā stikla novecošanas apvēršanas process stikla atjaunošanai jau sen ir pievērsta plaša zinātnisko pētnieku uzmanība.
"Stikla atjaunošana ir apgriezts stikla novecošanas process, tas ir, stikls, kura atomi pēc novecošanas ir kļuvuši salīdzinoši sakārtoti, lēnām atgriežas relatīvi nesakārtotu atomu stāvoklī," sacīja Dzjans Mincjans. Iepriekšējos pētījumos par stikla atjaunošanos pētnieki atklāja, ka atjaunotais stikls atbrīvos daļu no siltuma entalpijas, kad tas tiek uzkarsēts līdz noteiktai temperatūrai, un, jo augstāka ir stikla atjaunošanas pakāpe, jo lielāka ir siltuma entalpija, kas izdalās karsēšanas laikā. daudzi. Termiskā entalpija ir svarīgs stāvokļa parametrs, kas raksturo materiālās sistēmas enerģiju. Nespeciālistu izpratnē entalpija ir enerģija, ko sildīšanas procesā izdala atjaunots stikls.
"Mūsu pētījumi rāda, ka iepriekš minētais viedoklis neattiecas uz stipri novecojušu stiklu. Palielinoties stipri novecojuša stikla atjaunošanās pakāpei, tā siltuma entalpijas izdalīšanās nemainās vai pat vispār nav siltuma entalpijas izdalīšanās." Jiang Minqiang komandas pētījums liecina, ka iepriekšējie uzskati par stikla novecošanas mehānismu nav attiecināmi uz stipri novecojušu stiklu, kas atjaunina cilvēku izpratni par stikla struktūras atjaunošanas mehānismu.
"Nejauša ievietošana": pētījuma rezultāti ir negaidīti
"Patiesībā izrāvienu šajā pētījumā radīja mūsu pētnieku grupas "neapzināts" mēģinājums." Dzjans Mincjans sacīja, ka šī eksperimenta sākotnējais mērķis bija tikai sagatavot eksperimentālos paraugus. "Mūsu komanda sākotnēji sagatavoja paraugu citam eksperimentam. Lai stiprinātu eksperimenta zinātnisko raksturu, ir jānovērš parauga termiskā vēsture un jānodrošina, lai tiem būtu konsekventa struktūra. Mēs veicām atlaidināšanas operāciju zemā temperatūrā. uz stikla parauga - lēni karsējot metālisko stiklu līdz noteiktai temperatūrai un uzturot pietiekamu laiku, un pēc tam atdzesējot līdz istabas temperatūrai ar noteiktu ātrumu "Pēc tam pētnieku komanda ar mehānisku deformāciju atjaunoja stipri novecojušo stiklu. Rezultāts bija negaidīts - "Mēs acīmredzot enerģiju ievadām stiklā ar mehānisku darbu, tad kāpēc šīs brilles neizdala siltumu un nekļūst jaunākas?" Tas ir pretrunā ar iepriekšējo galveno uzskatu.
Šis rezultāts lika pētnieku komandai neizpratni. Lai atrisinātu šo noslēpumu, papildus termiskās entalpijas mērīšanai pētnieku grupa izmērīja arī augstas temperatūras (450K-750K) un zemas temperatūras (1,9K-100K) īpatnējo siltumu. stikla paraugu un pēc tam pētīja informāciju par stikla atomu vibrāciju un topoloģiskās struktūras informāciju. "Eksperimenta laikā pētnieku grupa atklāja, ka, lai gan entalpijas izdalīšanās parametrs pirms stiklošanās dažos gadījumos nemainījās, efektīvās entalpijas izmaiņas stiklošanās laikā un atomu īpatnējais siltums zemā temperatūrā atspoguļojās. Tomēr divi fizikālie lielumi Bose vibrācijas maksimums attiecīgi mainīsies," skaidroja Dzjans Mincjans: "Tas parāda, ka termiskās entalpijas izdalīšanās nav vienīgais fiziskais daudzums, kas atspoguļo stikla atjaunošanos."
Runājot par to, kāpēc siltuma entalpijas izdalīšanās paliek nemainīga, Dzjans Mincjans vēlreiz paskaidroja ar spilgtu piemēru: "Ja ievietosim mazu bumbiņu" ieliektās" formas plaknes padziļinājumā, mazā bumbiņa, protams, paliks nekustīga. Šāda veida stabilitāte Stāvoklis ir kā stipri novecotam stiklam Un, ja mēs noliecam šo “ieliekto” plakni kādā leņķī, lai gan ieliektā materiāla augstums, tas ir, stikla materiāla enerģijas līmenis paliek gandrīz nemainīgs, stikla stāvoklis. Stikls, ko attēlo mazā bumbiņa, paliks nemainīgs, tas kļūs nestabils, un parādīsies stikla atjaunošanās parādība.
Pētījumu rezultāti liecina, ka papildus iepriekšējiem vispārpieņemtajiem uzskatiem stikla atjaunošanās var tieši atspoguļoties siltuma entalpijas izdalīšanā, tas ir, enerģijas līmeņa paaugstināšanā, vai arī tas var atspoguļoties enerģētiskās virsmas slīpumā, t.i. , pārkārtojot vietējo struktūru. Brīvais apjoms tiek pārdalīts telpā. "Šis ir jaunais mehānisms stipri novecojušu stiklveida materiālu atjaunošanai, ko mēs atklājām." Dzjans Mincjans teica.
Scenāriju paplašināšana: plašas lietojumprogrammu telpas nodrošināšana
Šis pētījums arī atklāja, ka, stiklam nonākot stabilā plūsmas stāvoklī, iepriekš minētie trīs atjaunošanos raksturojošie fizikālie parametri katrs sliecas uz piesātinājuma vērtībām, tādējādi pirmo reizi eksperimentāli nosakot, ka stikla struktūras atjaunošanās augšējā robeža ir "iesaldēta" līdzsvara. valsts plūsma. Valsts.
Ja mēs izmantojam ūdeni kā analoģiju, stikls, kas augstā temperatūrā kļūst šķidrs, ir kā ūdens, savukārt stikls, kas sacietē zemā temperatūrā, ir kā ledus. "Stikla struktūras atjaunošanas robeža ir pēkšņa augstas temperatūras stikla šķidruma sasaldēšana ar ārkārtīgi strauju dzesēšanu, tādējādi veidojot materiāla stāvokli, kas līdzīgs" sasaldētam tekošam ūdenim." Dzjans Mincjans paskaidroja: "Šajā gadījumā stikls parādīsies cietā stāvoklī. Saglabājot materiāla struktūru, kas ir gandrīz tāda pati kā šķidrumam, tā plūstamība sasniegs pašreizējās izpratnes robežu."
Šajā pētījumā atklātais jaunais stiklveida vielu atjaunošanas mehānisms ļauj ne tikai labāk izprast stikla novecošanas cēloņus un procesus no fiziskā viedokļa, bet arī tam ir milzīgas pielietošanas iespējas, veicinot izturēta stikla sērijveida atjaunošanos. . "Pētnieku komanda šobrīd sazinās ar uzņēmumiem, kas nodarbojas ar stikla ražošanu vai pētniecību un attīstību, cenšoties atrast labu kombinācijas punktu, lai tehnoloģiju virzītu tirgū."
Turklāt Dzjans Mincjans arī atklāja, ka šajā pētījumā atklāto jauno mehānismu paredzēts izmantot arī progresīvu metāla materiālu sagatavošanā.
"Vispārīgi runājot, metāla materiālu stiprība un stingrība nevar būt savstarpēji savietojami. Palielinoties stiprībai, stingrība samazināsies un otrādi." Dzjans Mincjans sacīja: "Kā pārvarēt šīs raksturīgās apgrieztās attiecības, ir jāsagatavo gan uzlaboto metāla materiālu izturība, gan stingrība."
Augstas stiprības metālu materiāliem parasti ir ļoti zems kopējās enerģijas līmenis mikroskopiskā līmenī. Ja enerģija tiek ievadīta ar karsēšanu un citām metodēm, mēģinājums uzlabot metāla materiālu stingrību, palielinot kopējo enerģijas līmeni, bieži vien prasa ārkārtīgi lielas enerģijas investīcijas, kuras ir gandrīz neiespējami sasniegt.
"Ja mēs varam izmantot šajā pētījumā atklāto jauno mehānismu, lai pielāgotu metālisko materiālu enerģētisko virsmas leņķi, kad kopējais enerģijas līmenis ir zems, mēs varam palielināt atomu traucējumus, vienlaikus saglabājot to pašu makroskopisko izturību, tādējādi uzlabojot metāla stingrību. Izmantojot šo metodi, mēs varam efektīvi izvairīties no milzīgas enerģijas padeves un ievērojami samazināt augstas stiprības metāla materiālu sagatavošanas izmaksas. Tas sniedz jaunas idejas, kā atrisināt ilgstoši pastāvošo nesamierināmo pretrunu starp metāla materiālu izturību un stingrību.