预测新型玻璃的性能

宾夕法尼亚州立大学和剑桥大学的研究人员表示，ZIF玻璃是一种新型玻璃系列，它可以将硅酸盐玻璃的透明性与不易碎的金属玻璃结合在一起。

“我们相信透明度，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授约翰莫罗说。“我们必须等到更大的样本才能知道它是否具有金属玻璃的惊人延展性，但它看起来很有希望。”

最新的玻璃形成材料，沸石咪唑酯骨架(ZIF)，具有金属离子通过有机配体连接的结构。当在有限的高温范围内加热时，一些ZIF材料会熔化并重新形成玻璃结构，其中原子具有无序结构。除了透明和更灵活的玻璃的潜力，一些zif含有大量的功能性孔-金属-有机框架，可用于气体储存。它们已经被提议作为燃料电池车辆、催化、气体分离甚至药物输送中的氢储存笼。

“ZIF是如此新奇，以至于人们刚刚发现哪种化学物质会形成玻璃，”毛罗说。“我们小组的目标是通过建模来加速这些新眼镜的设计。”

在最近的两篇期刊文章中，Mauro和他的同事使用了不同的建模方法来加深他们对ZIF玻璃的理解和预测。第一种建模方法ReaxFF是由宾夕法尼亚州立大学机械工程教授Adri van Duin开发的，他是两篇论文的合著者。ReaxFF是模拟候选材料熔化和重整的一种快速而经济的方法。

“很难模拟这些系统，因为这些模型通常是针对有机系统或无机系统开发的，而不是同时针对两者，”Mauro的博士后学者、两篇论文的主要作者杨永健说。"此外，与ReaxFF不同，其他型号不允许玻璃成型中的粘合剂损坏和重新成型."

杨补充说，使用ReaxFF可以将模拟执行所需的时间缩短到几个小时，而不是使用量子力学方法花费几天时间。

在最近发表在《物理化学快报》杂志上的一篇论文中，研究人员使用了另一种建模方法，这种方法最初是为另一种称为硫族玻璃的玻璃开发的。

“詹姆斯菲利普斯建议我们可以考虑眼镜，就像设计桥梁或埃菲尔铁塔中的桁架结构一样，”毛罗说。

菲利普斯当时在贝尔实验室，现在在罗格斯大学，提出了一种基于原子的自由度与其他原子的刚性键数量相比较来优化玻璃的方法。当粘合剂等于自由度——向上、向下或侧向移动的能力——时，系统通常处于形成稳定玻璃的最佳状态。

康宁公司的Mauro和俄亥俄州立大学的Prabhat Gupta扩展了这一理论，发展了所谓的温度相关约束理论，解释了高温下的键断裂，也将该理论扩展到定量预测玻璃的性质。

“因为我们的理论是基于对键和原子的计数，所以可以用铅笔和纸来解决，”毛罗说。“我们可以准确预测玻璃的性质，如硬度、弹性模量、粘度和玻璃化转变温度。”

虽然他们的理论是在2008年制定的，并已成功应用于许多氧化物玻璃系统和工业玻璃成分的配方，但这是第一次将其应用于ZIF金属-有机玻璃系统。

剑桥大学的托马斯班尼特(Thomas Bennett)领导了这项工作的实验部分，包括合成ZIF样品，这些样品目前只有几毫米大小。

“仍然有许多挑战需要解决，”毛罗说。“我们希望使用这些建模方法来预测我们可以用来提升工业规模的玻璃，然后实现商业化。拥有光学透明和机械延展性的玻璃不是很好吗？”

最近发表的题为《用拓扑约束理论预测沸石咪唑玻璃的玻璃化转变温度》的论文的其他作者有Mauro的博士生Collin Wilkinson、Kuo-Hao Lee和Karan DossVan Duin van Duin和van Duung Shin，Van Duin集团副研究教授，剑桥大学皇家社会大学研究员Thomas D. Bennett。

宾夕法尼亚州立大学和皇家学会网络科学研究所资助了这项工作。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！