科学家们制造出了一种具有空前韧性的氧化物玻璃。在高压和高温条件下，他们成功地使一种硅酸铝玻璃产生了副结晶： 由此产生的晶体状结构使玻璃能够承受极高的应力，并在环境条件下保持不变。因此，副结晶被证明是生产极耐破碎玻璃的一种很有前途的工艺。

在许多方面，玻璃都是现代技术中极具吸引力的材料。然而，玻璃固有的脆性使其容易出现裂缝和断裂，从而限制了其潜在的应用领域。为了在保留玻璃的优势特性的同时大幅提高其韧性，相关研究在很大程度上都未能取得预期成果。

创新方法和工艺

科学杂志《自然-材料》（Nature Materials）上介绍的新方法从氧化物玻璃入手，这种玻璃具有相当紊乱的内部结构，是商业应用最广泛的玻璃材料。以含有硅、铝、硼和氧的硅酸铝为例，德国和中国的研究团队现已成功赋予其新的结构。为此，他们在拜罗伊特大学巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所（BGI）采用了高压和高温技术。

玻璃状（左）和准晶状（右）毛玻璃的模拟结构。氧、硅、铝和钙元素的原子（从小到大）在周围结构中的有序程度越高，颜色越浅。图片来源：Hu Tang

在 10 到 15 千兆帕的压力和大约 1000 摄氏度的温度下，硅、铝、硼和氧原子聚集在一起，形成类似晶体的结构。这些结构被称为"准晶体"，因为它们与完全不规则的结构差别很大，但它们并不接近晶体的清晰规则结构。利用光谱技术进行的经验分析和理论计算都清楚地显示了这种介于晶体结构和无定形不规则结构之间的中间状态。

副结晶的影响

即使将压力和温度降至正常环境条件下，铝硅酸盐玻璃中的副晶体结构依然存在。这些结构渗入玻璃后，玻璃的韧性比副结晶化之前高出许多倍。现在的韧性值高达 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/²。这是氧化物玻璃前所未有的韧性。同时，玻璃的透明度并没有受到副晶结构的严重影响。

该研究的第一作者 Hu Tang 博士在巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所 (BGI) 的高压压力机前。图片来源：UBT / Chr.

研究人员解释说，玻璃的超常强化是由于从外部作用于玻璃的力，通常会导致玻璃破裂或内部裂缝，而现在主要是针对准晶体结构。它们溶解了这些结构的部分区域，并将它们变回无定形的随机状态。这样，玻璃作为一个整体就获得了更大的内部可塑性，因此在受到这些甚至更强的外力时也不会破裂或开裂。

未来展望

新研究的第一作者 Hu Tang 博士说："我们的发现强调了一种开发高耐受性玻璃材料的有效策略，我们计划在未来几年内继续开展这方面的研究。"

"副结晶导致的韧性增加表明，原子层面的结构变化会对氧化物玻璃的性能产生重大影响。"巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所的 Tomoo Katsura 教授博士补充说："在这个层面上，玻璃作为一种远未枯竭的材料，具有优化的巨大潜力。"