通過(guò)薄膜技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)新材料

發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的研究描述了一種新型薄膜液體，可形成高密度玻璃。這項(xiàng)由賓夕法尼亞大學(xué)化學(xué)系研究人員進(jìn)行的研究產(chǎn)生的結(jié)果展示了如何將這些玻璃和其他類似材料制造得更致密和更穩(wěn)定，為通過(guò)更好的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新應(yīng)用和設(shè)備提供了框架。

玻璃通常是通過(guò)液體在冷卻到其運(yùn)動(dòng)停止的溫度時(shí)凝固或失去平衡而產(chǎn)生的。玻璃的結(jié)構(gòu)與液相非常相似，但其性質(zhì)類似于固體，類似于晶體。

制成超薄納米級(jí)薄膜的玻璃廣泛用于 OLED 顯示器和光纖等應(yīng)用。但是當(dāng)這些類型的玻璃制成薄膜時(shí)，即使在低溫下，它們的行為也更像液體，所得材料容易形成液滴或結(jié)晶，這限制了可能的最小特征的尺寸。

為了制造更好的玻璃，研究人員使用氣相沉積代替冷卻液體來(lái)生產(chǎn)玻璃。在氣相沉積中，材料直接從氣體變?yōu)楣腆w。雖然這種方法使研究人員能夠制造出密度更大的塊狀玻璃，但最初認(rèn)為使用這種方法制成的薄玻璃膜仍具有相同的類似液體的特性，會(huì)導(dǎo)致降解和不穩(wěn)定。

但是最近獲得博士學(xué)位的 Yi Jin 在 Zahra Fakhraai 實(shí)驗(yàn)室工作的研究生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此。Yi 不斷發(fā)現(xiàn)不同的屬性，沒(méi)有任何數(shù)據(jù)有意義，因此我們進(jìn)行了更深入的挖掘，直到我們有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)拼湊一張圖片，F(xiàn)akraai 說(shuō)。

Jin 花了數(shù)年時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)，從改變玻璃基板、屬性和沉積速率到確保徹底清潔所有設(shè)備以排除污染或?qū)嶒?yàn)錯(cuò)誤。

在運(yùn)行了所有所需的控制實(shí)驗(yàn)后，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，在使用氣相沉積時(shí)，他們可以使用不同類型的液體，在加熱時(shí)相變到典型的本體液體。相變是指材料從一種狀態(tài)（氣體、液體或固體）變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。這兩種液體具有不同的結(jié)構(gòu)，類似于石墨烯和金剛石，它們都是由碳制成的固體，但以非常不同的固體形式存在。

Fakraai 說(shuō)，有很多有趣的特性突然冒出來(lái)，沒(méi)有人想到在薄膜中你會(huì)看到這些相。這是一種新型材料。

使用氣相沉積，研究人員可以制造出非常致密的薄膜玻璃，對(duì)應(yīng)于這種新液相的堆積，其密度比在不施加巨大壓力的情況下預(yù)測(cè)的要高得多。這些玻璃薄膜的密度值甚至比晶體還要高。

為了證實(shí)他們所看到的，研究人員還獲得了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息，顯示了如何使用布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備包裝單個(gè)分子。這項(xiàng)分析幫助研究人員確認(rèn)他們所看到的不僅僅是晶體，而是玻璃中全新的相。

另一個(gè)基于他們迄今為止收集到的數(shù)據(jù)的假設(shè)是，進(jìn)入這個(gè)獨(dú)特階段的能力是由于玻璃的幾何形狀，這意味著這項(xiàng)工作也可能對(duì)其他類型的材料產(chǎn)生影響。我們正在開(kāi)發(fā)試圖縮小規(guī)模的材料，Jin 談到他目前在材料科學(xué)行業(yè)的工作時(shí)說(shuō)，從我們?cè)诓Ａе锌吹降那闆r來(lái)看，其他材料也可能出現(xiàn)有趣的現(xiàn)象，例如半導(dǎo)體中常用的金屬材料。

Fakraai 實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)在進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步了解導(dǎo)致這種獨(dú)特相變的關(guān)鍵參數(shù)。這包括在沉積過(guò)程中研究薄膜和“放大”相變區(qū)域以了解有關(guān)這種新發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的更多信息。Fakraai 說(shuō)，這項(xiàng)工作對(duì)于更好地了解整個(gè)眼鏡也至關(guān)重要，其中理論之間仍然存在脫節(jié)，這些理論可以為在應(yīng)用和新技術(shù)中開(kāi)發(fā)新材料提供預(yù)測(cè)平臺(tái)。

要包裝 Moderna 或 Pfizer 疫苗，你需要一種可以在非常低的溫度下不會(huì)破碎的玻璃，而這項(xiàng)技術(shù)的存在是對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)散裝玻璃機(jī)械的能力的大喊大叫，她說(shuō)，我們希望這種基本的理解能激發(fā)更多的應(yīng)用，并更好地設(shè)計(jì)具有類似改進(jìn)性能的薄膜玻璃。如果在薄膜中了解結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)做得更好。

審核編輯 ：李倩