Уявіть собі світ, де склянки, що падають зі столів або падають на підлогу, більше не зустрічатимуть звичного звуку розбиття, а натомість нешкідливого відскоку. У цьому світі екран вашого смартфона залишається неушкодженим навіть після невдалої аварії. Хоча це може здатися занадто гарним, щоб бути правдою, останні відкриття дослідників Університету Тохоку на крок наближають нас до цієї надзвичайної реальності.
Дослідження пропонує захоплююче розуміння науки про довговічність скла та змінює наше розуміння цього звичайного, але чудового матеріалу. З цими досягненнями повсякденні нещасні випадки незабаром можуть стати незначними незручностями замість дорогого ремонту.
Таємниці руху атомів
У статті, опублікованій в журналі Acta Materialia, багатоінституційна команда дослідників під керівництвом Університету Тохоку поділилася новими результатами свого дослідження руху атомів у склі. Експерти виявили, що цікавий танець атомів у склі є ключовим для його здатності протистояти розбиттю.
«Скло, незважаючи на свою міцність, схильне до руйнування, коли напруга перевищує його допустиме значення, але цікаво те, що рух атомів і молекул усередині скла може послабити внутрішню напругу, роблячи матеріал більш стійким до розломів», — пояснив Макіна Сайто, доцент Тохоку. Вища школа наук університету.
Мабуть, процес «стрибків» атомів у найближчі порожні простори є тим, що зміцнює стійкість склянки – явище, яке спантеличило вчених протягом найдовшого часу.
Синхронний атомний танець
Щоб розкрити ці секрети руху атомів, команда використовувала інноваційні експерименти з синхротронним випромінюванням і хитре комп’ютерне моделювання. Це дозволило дослідникам спостерігати за поведінкою атомів у склі в неймовірно точному часовому масштабі.
Експерти виявили, що коли атоми стрибають у найближчі порожні простори, навколишня група атомів рухається колективно, щоб заповнити порожнечу, як добре поставлений балет, який зберігає структурну цілісність. Цей синхронізований атомний танець діє як запобіжний клапан, розсіюючи внутрішню напругу та значно знижуючи ймовірність тріщини скла під впливом зовнішньої сили або удару.
Формування майбутнього скляної промисловості
Ці проривні ідеї можуть трансформувати галузі, які значною мірою покладаються на міцність скляних матеріалів.
«Наші результати мають далекосяжні наслідки для таких галузей, як споживча електроніка, будівництво та автомобілебудування, де стійке до розбиття скло має важливе значення», — прокоментував Сайто.
Команда з Університету Тохоку на цьому не зупиняється. Вони прагнуть дослідити, чи діють подібні атомні механізми в інших типах скла. Їхня кінцева місія? Встановити універсальні норми для розробки окулярів із чудовою ударостійкістю, що потенційно революціонізує застосування цього звичайного, але унікального матеріалу.
Крок до стійких скляних матеріалів
Це відкриття може зіграти вирішальну роль у розвитку екологічної науки про матеріал. Скло вже є широко використовуваним матеріалом, який можна переробляти, але підвищення його довговічності може значно зменшити відходи від розбитих предметів, таких як екрани телефонів, вікна та предмети домашнього вжитку. Створюючи матеріали, які служать довше та потребують менш частої заміни, дослідники роблять внесок у майбутнє зі зниженим впливом на навколишнє середовище та споживанням ресурсів.
Крім того, менша кількість замін означає зменшення енергії та сировини, необхідних для виробництва, що ще більше зменшує екологічний слід. Ця інновація також може надихнути на впровадження стійких практик у галузях, які покладаються на скло, посилюючи його вплив на глобальні цілі сталого розвитку.
Розширення кругозору в матеріалознавстві
Наслідки цього дослідження виходять далеко за рамки скла, торкаючись широкого спектру матеріалів і галузей. Методи, що використовуються для аналізу руху атомів, можуть надихнути на відкриття інших матеріалів, таких як кераміка чи полімери, де підвищення стійкості до стресів і довговічності є пріоритетом як для продуктивності, так і для безпеки. Крім того, розуміння поведінки атомів у склі може вплинути на розробку передових матеріалів, призначених для вимогливих середовищ, включаючи аерокосмічне, оборонне та медичне застосування.
Наприклад, міцне скло можна використовувати у вікнах космічних кораблів, щоб забезпечити підвищену безпеку в екстремальних умовах. Його можна використовувати для виробництва куленепробивних щитів, які забезпечують більшу надійність, або навіть хірургічних інструментів, які поєднують стійкість із точністю.
Ці досягнення можуть змінити межі матеріалознавства, відкривши двері для інновацій, які раніше вважалися недосяжними, одночасно розширюючи їх застосування в різних галузях промисловості та вдосконалюючи повсякденні технології. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Acta Materiala.
