锌玻璃!金属有机化合物竟能产生不易碎的新种类玻璃


闪电和火山都产生了玻璃,人类从史前时代就开始用二氧化硅制造玻璃。工业化给我们带来了以硼为基础的眼镜、聚合物玻璃和金属玻璃,但现在一个国际研究小组开发了一种新的玻璃家族,这种玻璃基于金属和有机化合物,这些化合物与玻璃形成能力的原始二氧化硅堆积在一起。玻璃成形能力是指液体在冷却过程中避免结晶的能力。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授John C. Mauro说:玻璃是一种液态的固态物质,它以非晶态的形式存在,,机械地它表现为固体,但它介于液体和固体之间。制造玻璃的关键是熔化源材料,然后设法冷却它们,这样就不会形成晶体。一种方法是快速冷却或淬火。由于温度迅速下降,这缩短了晶体形成的时间。


ZIF-62(锌咪唑酸锌,苯并咪唑酸锌)的结构显示了二维的四面体结构。

图片版权:Ang Qiao, Penn State


基本的硅玻璃有一个四面体结构,中间有硅,角落有四个氧原子。四面体是一个三角形的金字塔。每个氧原子连接到另一个以硅为中心的四面体。研究人员生产的金属有机玻璃代替了硅,但使用了两种相似但不同的有机化合物,在角-咪唑酯和苯并咪唑酯。这些有机分子随机地取代了四面体角的氧原子。研究人员不久前在《科学进展》杂志上报道说,在研究人员合成了基于锌的ZIF-62金属有机玻璃之前,硅玻璃的玻璃成型能力是最好的。他们注意到,在金属/有机骨架中加入了越多的苯并咪唑酸盐,其玻璃形成的能力就越强。最粘稠的配体粘稠的液体往往会抵抗结晶。ZIF-62拥有50种现有眼镜的最佳玻璃成型能力,而标准的石英玻璃易碎,金属有机玻璃则更加柔韧,这也可能增加其玻璃成型能力。


以锌为基础的有机玻璃比硅玻璃更难于生产,因为有机化合物咪唑酸和苯并咪唑酸首先需要合成,与含水的硝酸锌和溶剂混合。然后混合物在大约800华氏度的温度下熔化。温度是很重要的,因为混合物必须完全融化,但是温度不能达到华氏980度,这时熔化的玻璃会蒸发。研究人员使用多种光谱方法和x射线衍射研究了一些材料的性能。他们还测量了熔融玻璃的力学性能和光学传输。其中一些测试是在纽约康宁的康宁公司进行的。眼镜是如此的新颖,虽然已经确定了它的玻璃成形能力和其他一些特性,但我们还没有完全确定它的所有材料特性。还需要研究如何扩大这一生产过程。研究人员还想找出其他的金属有机组合来制造不同的眼镜。他们接下来打算研究一种钴玻璃。


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