通過薄膜技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)新材料

發(fā)表在《美國國家科學(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，為通過更好的設(shè)計開發(fā)新應(yīng)用和設(shè)備提供了框架。

玻璃通常是通過液體在冷卻到其運動停止的溫度時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，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 實驗室工作的研究生進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)事實并非如此。Yi 不斷發(fā)現(xiàn)不同的屬性，沒有任何數(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)來拼湊一張圖片，F(xiàn)akraai 說。

Jin 花了數(shù)年時間進(jìn)行詳細(xì)的實驗，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)嶒炲e誤。

在運行了所有所需的控制實驗后，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，在使用氣相沉積時，他們可以使用不同類型的液體，在加熱時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，有很多有趣的特性突然冒出來，沒有人想到在薄膜中你會看到這些相。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家實驗室的設(shè)備包裝單個分子。這項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)入這個獨特階段的能力是由于玻璃的幾何形狀，這意味著這項工作也可能對其他類型的材料產(chǎn)生影響。我們正在開發(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)的工作時說，從我們在玻璃中看到的情況來看，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 實驗室的研究人員已經(jīng)在進(jìn)行后續(xù)實驗，以進(jìn)一步了解導(dǎo)致這種獨特相變的關(guān)鍵參數(shù)。這包括在沉積過程中研究薄膜和“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，這項工作對于更好地了解整個眼鏡也至關(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)中開發(fā)新材料提供預(yù)測平臺。

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破碎的玻璃，而這項技術(shù)的存在是對我們設(shè)計散裝玻璃機(jī)械的能力的大喊大叫，她說，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，我們可以通過設(shè)計做得更好。

審核編輯 ：李倩