«Ver» daños en el vidrio a un nivel de nanoescala nunca antes visto

Por primera vez, se han detectado cambios estructurales en el subsuelo del vidrio de sílice debido a la corrosión y el desgaste a nanoescala mediante espectroscopía, lo que podría conducir a mejoras en productos de vidrio como pantallas electrónicas y parabrisas de vehículos, según un equipo de investigadores internacionales.

“Una de las principales áreas de investigación de mi grupo es la ciencia de la superficie del vidrio, principalmente la relación entre la propiedad, la estructura del vidrio, las propiedades mecánicas y químicas, especialmente la tenacidad mecánica y la tenacidad química”, Seung Kim, profesor distinguido de química en Pennsylvania State Engineering y coautor principal del estudio en Hecho en artículos, Él dijo. «Una de las técnicas que usamos es la espectroscopía vibracional. Pero el desafío para el análisis estructural de la superficie de vidrio a nanoescala es que muchas de las técnicas de espectroscopía que la gente usa ampliamente no funcionan aquí».

La espectroscopia infrarroja puede revelar defectos superficiales solo hasta cierto punto. Si el tipo de defecto producido en la superficie del vidrio es menor de 10 μm, que es menor que la longitud de onda de 10 μm en la espectroscopia infrarroja, entonces no se puede analizar o obtener imágenes correctamente. Las técnicas de análisis como la espectroscopia Raman utilizadas en la comunidad de investigación del vidrio funcionan mejor en términos de resolución espacial, pero siguen siendo insuficientes para el análisis estructural a nanoescala.

El equipo de Kim quería producir una técnica que encontrara el tipo de cambio de estructura que ocurre alrededor de las hendiduras a nanoescala en la superficie del vidrio. Como parte del estudio, sangraron la superficie del vidrio con una pequeña punta que podría crear espacios a nanoescala de unos cientos de nanómetros de profundidad y una micra de ancho. Es importante encontrar el tipo de cambios estructurales que ocurren incluso con niveles mínimos de daño porque estos pequeños defectos pueden afectar la resistencia del vidrio.

Según los investigadores, un ejemplo es Gorilla Glass, fabricado por Corning Inc. Como cristal de visualización para dispositivos electrónicos como teléfonos móviles y, más recientemente, para parabrisas de automóviles y aviones. Este vidrio es muy fuerte cuando sale de la planta, pero cuando llega a los fabricantes, el vidrio es más débil. Esto se debe a pequeños rasguños y otros daños que ocurren durante el contacto físico con el papel de envío, vibración en el camión, sentado en el paquete y lucha regular durante la descarga. Los defectos pueden no ser visibles, pero son suficientes para debilitar el vidrio.

Además, el vidrio se puede corroer. La corrosión es diferente a la corrosión del metal. Si el vidrio se corroe, el vidrio pierde algunos de sus elementos constituyentes en la superficie del vidrio y las propiedades químicas del vidrio cambian, lo que también puede debilitar el vidrio.

«Entonces, ¿cómo se describiría un daño estructural tan invisible?» Dijo Kim. «Este es un campo muy importante para la ciencia del vidrio. En teoría, el vidrio debería ser tan fuerte como el acero. Pero el vidrio no es tan fuerte como el acero y una de las principales razones son las imperfecciones de la superficie».

Cuando el equipo de Kim hizo pequeñas hendiduras en el vidrio, querían saber qué tipo de cambio estructural había ocurrido dentro y alrededor del espacio debido a daños en el vidrio.

«Por lo tanto, dado que el tamaño máximo de la hendidura era de sólo unas pocas micras, necesitábamos una técnica de espectroscopía infrarroja con un análisis muy espacial para describir esto», dijo Kim.

Para superar este desafío y «ver» el daño en el vidrio, Kim se puso en contacto con un colega, Slava V. Rotkin, profesor de ingeniería fronteriza y ciencia mecánica en Pensilvania, que está utilizando una nueva técnica de instrumentación conocida como «super- espectral». Mapeo óptico. « Esta tecnología proporciona una resolución espectral óptica y una alta resolución espacial y utiliza un microscopio óptico de casi dispersión creado por Neaspec GmpH, un fabricante alemán de herramientas de espectroscopía e imágenes a nanoescala.

«Hasta hace muy poco, estudios como los de Seung eran indirectos porque realmente no se pueden visualizar las pequeñas cosas que suceden a nanoescala, o tocaban cosas físicas como átomos o moléculas pero no propiedades ópticas», dijo Rootkin. «Por lo tanto, nuestra herramienta es realmente única porque le permite realizar estudios ópticos a escalas muy pequeñas, lo que no era posible en el pasado».

El vidrio es principalmente óxido de silicio y, en principio, es el mismo que la arena o el cristal de cuarzo en los relojes, con una gran diferencia: el nivel de defectos presentes. La arena parece piedra con muchas imperfecciones superficiales, el cristal de cuarzo es un cristal perfecto y el vidrio es algo intermedio. Esto hace que sea difícil «ver» el vidrio a nanoescala, porque hay mucha asimetría. Pero la tecnología de mapeo óptico hiperespectral de campo cercano permite a los investigadores enfocarse y ver el vidrio desde que se raya, incluso más allá del daño topográfico.

«Es como ver un gran bosque desde arriba, y hay muchos, muchos árboles, arbustos, hongos, flores, etc., y realmente no sabes lo que estás mirando», dijo Rootkin. «Los estudiantes de Seong hicieron rasguños en el vidrio. Y luego ves el rasguño, es interesante y se destaca, como si quitas un agujero en el bosque quitando árboles. Y cuando quitas árboles, eso podría empujar el arbusto al suelo y de alguna manera cambia el color de las hojas debido a algún daño. Es posible que no pueda verlo con la herramienta de visualización que está utilizando, pero con nuestro instrumento, parece que puede ver esas selvas individuales, y no solo eso, ves que las hojas se han puesto rojas «.

Este es un paso importante para la ciencia del vidrio, según los investigadores.

«El artículo que hemos publicado en principio allana el camino para un nuevo camino para aprender cómo ocurre una irregularidad de vidrio y cuál es la física detrás de ella», dijo Rootkin. «Vemos que hay cambios mecánicos, los rayones producen cambios físicos y químicos y cambios en las propiedades ópticas. Esto es muy interesante. Realmente es un gran problema».

Comprender esto es importante porque la precisión es importante para muchos tipos de dispositivos. La cámara del Mars Rover podría medir las propiedades espectrales en la superficie marciana, pero un rasguño en el vidrio no solo podría afectar las propiedades ópticas, sino también las propiedades mecánicas y Propiedades químicas Lo cual es importante para obtener medidas realmente precisas. O el equipo dijo que los arañazos a nanoescala en el cristal de la cámara de un teléfono móvil no solo podrían cambiar la transparencia, sino que también podrían cambiar los códigos de color y dar lugar a imágenes de baja calidad.

«Este estudio trata de comprender lo que le sucede al vidrio de una manera que no lo habíamos hecho antes», dijo Kim. «Sin comprender, un proceso o producto puede mejorarse con solo prueba y error». «Pero la mejor manera de hacer esto es el desarrollo o procesamiento basado en el conocimiento. Entonces, si no podemos entender qué tipo de defectos son causados ​​por el contacto físico, ¿cómo podemos hacer que la superficie del vidrio sea mejor o más perfecta, más duradera, mecánica y químicamente? ¿construido?»

Con esta información, Kim cree que existe un gran potencial para nuevos avances en la ciencia del vidrio.

Entendiendo la nanoescala Superficie: apariencia exterior Daño a materiales vidriosos multicomponente Con tecnología como esta, podemos aumentar en gran medida nuestra comprensión básica vidrio Ciencia «, dijo Kim.