Химики создали "нетрадиционное" стекло из металлоорганических соединений

Химики создали "нетрадиционное" стекло из металлоорганических соединений

Люди вряд ли представляют современный мир без стекла, которое стало неотъемлемой частью многих сфер – от архитектуры до электроники. Этот материал – один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, практически универсальный.

Основным компонентом при изготовлении стекла служит диоксид кремния; кроме него специалисты используют бор, некоторые полимеры и металлы.

Но теперь команда из Университета Пенсильвании (США) представила совершенно новый тип стека, изготовленный из металлоорганических соединений. Такое стекло по сравнению с классическим является более лёгким и гибким, но технология его изготовления не так уж проста.

Поясним, что при производстве стекла исходный материал сперва расплавляют до жидкого состояния, а затем охлаждают, причём сделать это нужно настолько быстро, чтобы не успели образоваться кристаллы. Способность вещества избегать кристаллизации при охлаждении и называется стеклообразующей.

По сути стекло представляет собой жидкость, замороженную в твёрдый материал в некристаллической форме, поясняет автор новой работы профессор Джон Мауро (John Mauro). Механически вещество ведёт себя как твёрдое тело, но на самом деле оно пребывает в пограничном состоянии между жидкой и твёрдой формами.

Классическое стекло, изготовленное на основе кремнезёма, имеет тетраэдрическую структуру с атомом кремния в центре и четырьмя атомами кислорода по углам. Каждый тетраэдр присоединяется к другому как раз через атомы кислорода.

При изготовлении нового металлоорганического стекла, названного ZIF-62, учёные заменили кремний на цинк, а по углам тетраэдра расположили имидазолат и бензимидазолат. Эти органические молекулы случайным образом заменяют атомы кислорода.

В ходе экспериментов выяснилась любопытная вещь: чем больше бензимидазолата исследователи включали в органический каркас, тем выше была стеклообразующая способность вещества. В жидком виде оно было более вязким и лучше сопротивлялось кристаллизации.

По словам авторов разработки, ZIF-62 является более гибким, а значит, менее хрупким, чем стекло на основе диоксида кремния.

В то же время такое стекло сложнее в производстве, поскольку сперва необходимо синтезировать органические соединения имидазолата и бензимидазолата, смешанные с нитратом водного цинка и растворителем. Затем полученная смесь плавится при температуре около 426 градусов по Цельсию. Причём подбор идеальных температурных условий играет ключевую роль, поскольку вещество должно полностью расплавиться, но при этом не успеть испариться (что произойдёт, например, при температуре на сто градусов выше).

Используя различные спектроскопические методы и рентгеновскую дифракцию, команда рассмотрела свойства нового материала, а также изучила его механические и оптические свойства.

В итоге авторы заявляют, что создали совершенно новый тип материала, который по свойствам превосходит 50 существующих типов стекла. Хотя для получения более полных характеристик потребуется ещё немало экспериментов.

Также учёные планируют найти способы упростить и расширить процесс производства и отыскать другие металлорганические комбинации (например, на основе кобальта), чтобы создать ещё больше типов нового стекла.

Более подробно о своей разработке команда рассказала в статье, которая была опубликована в издании Science Advances.

Напомним, что ранее учёные с помощью левитации заставили стекло приблизиться по свойствам к стали, а также создали «невидимое» стекло для нового поколения электроники и стёкла, которые превращают ультрафиолет в свет.

16:39