Alates kõrguvatest pilvelõhkujatest kuni väikeste ja peente kronograafikelladeni võib klaasi näha kõikjal elus.
Enne rahvusliku rahvakongressi kahte istungjärku oli Peng Shou, Rahvusliku Rahvakongressi esindaja, Hiina Tehnikaakadeemia akadeemik, Hiina riikliku ehitusmaterjalide rühma peainsener ja Hiina riikliku ehitusmaterjalide klaasi uute materjalide uurimistöö president. Instituut ütles intervjuus ajakirjanikele, et peame jõuliselt edendama energiasäästu ja süsinikdioksiidi vähendamist klaasitööstuses, nii et Hiina klaas Tööstus on "roheliseks muutumas".
Tegelikult ei pea klaas mitte ainult "roheliseks muutuma", vaid eeldama ka "noorenemist" – kasutusaja pikenedes tekitab klaas vananemisnähtusi, millega tavaliselt kaasneb füüsikaliste, mehaaniliste ja muude omaduste halvenemine. Vananevate klaasjas ainete "noorendamine" ja nende omaduste taastamine on viimastel aastatel pälvinud teadusringkondades üha enam tähelepanu.
Hiina Teaduste Akadeemia Mehaanika Instituudi teaduri Jiang Minqiangi meeskond avalikustas 2022. aasta lõpus uuringute kaudu tugevalt vananenud metallklaaside uue noorendamise mehhanismi ning süvendas arusaama klaasstruktuuride noorendamisest. Asjakohased uurimistulemused avaldati Hiina riiklikus loodusteaduste sihtasutuses, mida haldab Hiina riiklik loodusteaduste sihtasutus. Fundamental Research, multidistsiplinaarne ingliskeelne ajakiri, mida sponsoreerib
Klaasi vananemine: aeglane üleminek häirest korrale
Klaasi "noorendamiseks" peame kõigepealt mõistma, kuidas klaas "kasvab".
Jiang Minqiang tutvustas, et mikroskoopilisest vaatenurgast on klaas ebakorrapärase struktuuriga amorfne tahke aine. Ta tõi ajakirjanikele näite: kristalsetes tahketes ainetes, nagu teras, on aatomid nagu õpilased, kes istuvad vaikselt klassiruumis, on paigutatud korrapäraselt ja näitavad korrapäraseid kujundeid. Klaasis, ebakorrapärase struktuuriga amorfses tahkes aines, on aatomid nagu õpilased pärast tunde, kes jooksevad ülikoolilinnakus ringi ja nende paigutus on korratu.
Klaasi vananemise nähtus seisneb sisuliselt klaasi muutumises korrastamata olekust, kui see algselt moodustatakse korrastatud olekusse. "Üldiselt võib öelda, et korrastamata olekus on aine koguenergia suurem, korrastatud olekus on aine koguenergia väiksem. Aja möödudes muutub klaas järk-järgult kõrge energiaga olekust madala energiaga olekusse. Seda protsessi nimetatakse üldiselt klaasi vananemiseks.“ Jiang Minqiang selgitas, et kui vananemisaeg on piisavalt pikk või vananemist kiirendatakse, võib klaas muutuda isegi tavalise struktuuriga tahkeks kristalliks.
Klaasi vananemine mõjutab paljusid omadusi, nagu klaasi sitkus, optilised omadused ja elektrijuhtivus. See on nähtus, mida inimesed tahavad edasi lükata või isegi vältida. Seetõttu on klaasi noorendamine klaasi vananemise tagasipööramise protsessina pälvinud teadlastelt pikka aega laialdast tähelepanu.
"Klaasi noorendamine on klaasi vananemise pöördprotsess, see tähendab, et klaas, mille aatomid on pärast vananemist suhteliselt järjestatud, naaseb aeglaselt suhteliselt korrastamata aatomite olekusse," ütles Jiang Minqiang. Varasemates klaaside noorendamise uuringutes leidsid teadlased, et noorendatud klaas vabastab teatud temperatuurini kuumutamisel osa soojusentalpiast ja mida kõrgem on klaasi noorendamise aste, seda suurem on kuumutamisel vabanev soojusentalpia. palju. Termiline entalpia on materiaalse süsteemi energiat iseloomustav oluline olekuparameeter. Võhiku terminites on entalpia energia, mis vabaneb uuenenud klaasist kuumutamisprotsessi käigus.
"Meie uuringud näitavad, et ülaltoodud seisukoht ei kehti tugevalt vananenud klaasi kohta. Tugevalt vananenud klaasi noorendamise astme suurenedes selle soojusentalpia vabanemine ei muutu või puudub isegi soojusentalpia vabanemine." Jiang Minqiangi meeskonna uuring See näitab, et varasemad seisukohad klaasi vananemismehhanismi kohta ei kehti tugevalt vananenud klaasi kohta, mis värskendab inimeste arusaama klaasi struktuuri noorendamise mehhanismist.
"Tahtmatu sisestamine": uurimistulemused on ootamatud
"Tegelikult tuli selle uurimistöö läbimurre meie uurimisrühma "tahtmatust" katsest." Jiang Minqiang ütles, et selle katse algne eesmärk oli lihtsalt eksperimentaalsete proovide ettevalmistamine. "Meie meeskond valmistas proovi algselt ette teise katse jaoks. Katse teadusliku olemuse tugevdamiseks on vaja kõrvaldada proovi termiline ajalugu ja tagada nende ühtne struktuur. Tegime madalal temperatuuril lõõmutamise operatsiooni klaasiproovil – kuumutades metallklaasi aeglaselt teatud temperatuurini ja hoides seda piisavalt kaua ning jahutades seejärel teatud kiirusega toatemperatuurini "Seejärel noorendas uurimisrühm tugevalt vananenud klaasi mehaanilise deformatsiooniga. Tulemus oli ootamatu – "Me sisestame klaasi energiat ilmselgelt läbi mehaanilise töö, miks siis need klaasid soojust ei eralda ja ei muutu nooremaks?" See on vastuolus eelmise peavoolu seisukohaga.
See tulemus jättis uurimisrühma segadusse. Müsteeriumi lahendamiseks mõõtis uurimisrühm lisaks termilise entalpia mõõtmisele ka kõrge temperatuuri (450 K-750K) ja madala temperatuuri (1,9 K-100K) erisoojust. klaasiproovi ja seejärel uuris klaasi aatomivibratsiooni teavet ja topoloogilise struktuuri teavet. "Eksperimendi käigus leidis uurimisrühm, et kuigi entalpia vabanemise parameeter enne klaasistumisprotsessi jäi mõnel juhul muutumatuks, peegeldusid efektiivne entalpia muutus klaasistumisprotsessi ajal ja aatomite erisoojus madalal temperatuuril. vibratsiooniline Bose'i tipp muutub vastavalt," selgitas Jiang Minqiang: "See näitab, et termilise entalpia vabanemine ei ole ainus füüsikaline suurus, mis peegeldab klaasi noorendamist."
Rääkides sellest, miks soojusentalpia vabanemine jääb muutumatuks, selgitas Jiang Minqiang taas ilmeka näitega: "Kui asetame väikese palli "nõgusa" kujuga tasapinna süvendisse, jääb väike pall loomulikult paigale. stabiilsus Olukord on nagu tugevalt vananenud klaasil Ja kui kallutada seda nõgusa kujuga tasapinda mingi nurga all, siis nõgusa kõrgus ehk klaasja materjali energiatase jääb peaaegu muutumatuks, jääb klaasi olek. Väikese palliga kujutatud klaas jääb samaks ja see muutub ebastabiilseks ja tekib klaasi noorendamise nähtus.
Uurimistulemused näitavad, et lisaks varasematele peavooluvaadetele võib klaasi noorendamine kajastuda otseselt soojusentalpia vabanemises ehk energiataseme tõusus või ka energiapinna kaldenurgas, st. , kohaliku struktuuri ümberkorraldamise kaudu. Vaba maht jaotatakse ruumis ümber. "See on uus mehhanism tugevalt vananenud klaasjas materjalide noorendamiseks, mille me avastasime." Jiang Minqiang ütles.
Stsenaariumide laiendamine: laia rakendusruumi pakkumine
Selles uuringus leiti ka, et kui klaas jõuab stabiilsesse vooluolekusse, kalduvad ülaltoodud kolm noorendamist iseloomustavat füüsikalist parameetrit igaüks küllastusväärtustele, tehes seega esimest korda eksperimentaalselt kindlaks, et klaasi struktuuri noorendamise ülempiir on "külmunud" püsiv. oleku vool. riik.
Kui kasutada analoogiana vett, siis kõrgel temperatuuril vedelaks muutuv klaas on nagu vesi, madalal temperatuuril tahkuv klaas aga nagu jää. "Klaasi struktuuri noorendamise piir seisneb kõrge temperatuuriga klaasivedeliku äkilises külmutamises ülikiire jahutamise teel, moodustades nii "külmunud voolava vee" sarnase materjali oleku." Jiang Minqiang selgitas: "Sellisel juhul ilmub klaas tahkes olekus. Säilitades materjali struktuuri, mis on peaaegu samasugune kui vedelikul, jõuab selle voolavus praeguse arusaamise piirini."
Selles uuringus paljastatud uus klaasjas ainete noorendamise mehhanism ei võimalda meil mitte ainult paremini mõista klaasi vananemise põhjuseid ja protsesse füüsilisest vaatenurgast, vaid sellel on ka tohutu potentsiaalne rakendusruum vanandatud klaasi partiide noorendamise edendamisel. . "Uurimisrühm suhtleb praegu klaasitootmise või uurimis- ja arendustegevusega tegelevate ettevõtetega, püüdes leida head kombinatsiooni, millega tehnoloogiat turule viia."
Lisaks avastas Jiang Minqiang ka, et selles uuringus paljastatud uut mehhanismi loodetakse rakendada ka täiustatud metallmaterjalide valmistamisel.
"Üldiselt ei saa metallmaterjalide tugevus ja sitkus omavahel sobida. Tugevuse kasvades sitkus väheneb ja vastupidi." Jiang Minqiang ütles: "Kuidas ületada see loomupärane ümberpööratud suhe, on ette valmistada nii tugevus kui ka sitkus täiustatud metallmaterjalid tuleb silmitsi seista."
Kõrge tugevusega metallmaterjalidel on mikroskoopilisel tasemel üldiselt väga madal koguenergia tase. Kui energiat sisestatakse kuumutamise ja muude meetodite kaudu, nõuab metallmaterjalide sitkuse parandamine koguenergia taseme tõstmise kaudu sageli äärmiselt suuri energiainvesteeringuid, mida on peaaegu võimatu saavutada.
"Kui saame kasutada selles uuringus avastatud uut mehhanismi metallmaterjalide energiapinna nurga reguleerimiseks, kui koguenergia tase on madal, saame suurendada aatomite häireid, säilitades samal ajal sama makroskoopilise tugevuse, suurendades seeläbi metalli tugevust. Selle meetodi abil saame tõhusalt vältida tohutut energiasisendit ja oluliselt vähendada ülitugevate metallide valmistamise kulusid. See annab uusi ideid, et lahendada kaua kestnud lepitamatu vastuolu metallmaterjalide tugevuse ja sitkuse vahel.