Studija sprovedena u Centru za istraživanje, obrazovanje i inovacije u staklastim materijalima (CeRTEV) u Sao Karlosu, država Sao Paulo, Brazil, po prvi put pokazuje da uključivanje niobijum oksida (Nb 2 O 5 ) u silikatno staklo dovodi do mreže silicijum dioksida. polimerizacija, koja povećava gustinu veze i povezanost, poboljšavajući mehaničku i termičku stabilnost specijalnog stakla.
Studija je objavljena u članku objavljenom u časopisu Acta Materialia.
Prvi autor članka, Henrik Bradtmuller, je postdoktorski istraživač u Centru za egzaktne nauke i tehnologiju Federalnog univerziteta u Sao Karlosu (CCET-UFSCar). Njegov supervizor je Edgar Dutra Zanoto, direktor CeRTEV-a i poslednji autor članka. CeRTEV je domaćin UFSCar.
„Naša studija je kombinovala eksperimentalna posmatranja korišćenjem spektroskopije nuklearne magnetne rezonance i Ramanove spektroskopije sa računarskim modeliranjem. Pored navedenih rezultata, otkrili smo da su viši nivoi niobija doveli do Nb 2 O 5 , grupisanja i povećane elektronske polarizabilnosti, sa značajnim uticajem na optička svojstva stakla“, rekao je Bradtmiller.
Vredi podsetiti da Ramanova spektroskopija daje precizne informacije o molekularnoj strukturi materijala, dok spektroskopija nuklearne magnetne rezonance (NMR) dodatno istražuje magnetna svojstva njihovih atomskih jezgara.
„Naša strategija zasnovana na ove dve tehnike posmatranja plus kompjutersko modeliranje može se koristiti za proučavanje funkcionalnih elemenata mnogih drugih vrsta stakla, uključujući optičke materijale, bioaktivno staklo i staklaste brze jonske provodnike. Ovo će olakšati razvoj inovativnih staklenih formulacija prilagođenih za razne aplikacije“, rekao je Bradtmiler.
Pored svakodnevne primene običnog stakla u kontejnerima, prozorima i tako dalje, visokokvalitetno staklo je takođe postalo skoro sveprisutno u današnjem svetu, primetio je Bradtmiler. Prisutan je u mikroskopima i teleskopima koje koriste naučnici, na primer, u optičkim vlaknima koja se koriste za prenos podataka i energije, i u staklokeramičkim ortopedskim uređajima koji se sve više koriste u medicini. „U znak priznanja uloge koju staklo igra u savremenom društvu, Ujedinjene nacije su 2022. proglasile Međunarodnom godinom stakla“, rekao je on.
Za napredne visokotehnološke aplikacije, naučnici o materijalima koriste softver za mašinsko učenje i druge računarske resurse da dizajniraju staklo sa prilagođenim svojstvima, ali da bi to uradili zahtevaju pouzdane baze podataka i strukturne parametre koji uzimaju u obzir fizičko-hemijsku složenost stakla.
Ovo je relevantnost studije Bradtmillera i njegovih kolega. „Stakleni intermedijarni oksidi igraju stratešku ulogu u ovom novom tehnološkom trenutku. Oni ne formiraju staklo pod standardnim hlađenjem u laboratoriji, ali mogu dati pozitivan doprinos u prisustvu drugih oksida pomažući u izgradnji kiseonikovih mostova i dajući staklu svojstva od interesa. Niobijum oksid je dobar primer“, objasnio je on.
Staklo koje sadrži niobijum (Nb) je cenjeno zbog svojih nelinearnih optičkih svojstava, sa potencijalnom primenom u optoelektričnim uređajima, kao i zbog mehaničkih svojstava relevantnih za proizvodnju bioaktivnih materijala. „Iako su studije sprovedene korišćenjem Nb 2 O 5 pre naše, strukturna uloga Nb je ostala nejasna, uglavnom zbog nedostatka sistematskih spektroskopskih podataka o karakterizaciji. Nameravali smo da popunimo ovu prazninu u znanju u našoj studiji“, rekao je on.
„Kroz spektroskopiju smo otkrili da dodavanje Nb izaziva ‘polimerizaciju’ mreže silicijum-kiseonik, povećavajući povezanost komponenti stakla. Ovo je razjasnilo ulogu Nb kao ‘tvorca mreže’. Još jedan vrhunac studije je naša demonstracija da je nova NMR tehnika koju smo razvili 2020. koristeći druge materijale primenljiva na staklo. Ova tehnika, koja se zove V-RESPDOR, može se koristiti za merenje rastojanja između dva elementa—u ovom slučaju, litijuma i Nb, koji ima takvu izazovno jezgro koje nikada nije mereno sličnim tehnikama.“
Računarsko modeliranje je pokazalo da su litijum joni nasumično raspoređeni u staklu na bazi silicijum dioksida na nanometrijskoj skali (5–10 nanometara), dok Nb teži da formira klastere pri većim koncentracijama Nb 2 O 5 , objasnio je on, dodajući da je ovakav strukturalni raspored nikada nije prijavljen u literaturi i predstavlja originalan doprinos studiji.
„U široj perspektivi, studija ukazuje na eksperimentalnu i kompjutersku strategiju za istraživanje uloge koju u staklu igraju srednji oksidi sa aktivnim jezgrima za NMR spektroskopiju“, rekao je Zanotto.
