p Pela primeira vez, as mudanças estruturais da subsuperfície do vidro de sílica devido ao desgaste e danos em nanoescala foram reveladas por meio de espectroscopia, que pode levar a melhorias em produtos de vidro, como displays eletrônicos e pára-brisas de veículos, de acordo com uma equipe de pesquisadores internacionais. p "Uma das principais áreas de pesquisa do meu grupo é a ciência da superfície do vidro, principalmente a relação entre propriedade, a estrutura do vidro, e propriedades mecânicas e químicas, especialmente durabilidade mecânica e durabilidade química, "Seong Kim, Penn State distinto professor de engenharia química e co-autor principal do estudo em Acta Materialia , disse. "E uma das técnicas que temos usado é a espectroscopia vibracional. Mas o desafio da análise estrutural em nanoescala de uma superfície de vidro é que muitas das técnicas de espectroscopia que as pessoas usam amplamente não funcionam aqui."

p A espectroscopia de infravermelho pode detectar defeitos de superfície apenas até certo grau. Se o tipo de defeito gerado na superfície do vidro for menor que 10 mícrons, que está abaixo do comprimento de onda de 10 mícrons da espectroscopia infravermelha, não pode ser devidamente analisado ou fotografado. Técnicas de análise, como espectroscopia Raman, usadas na comunidade de pesquisa do vidro, funcionam melhor em termos de resolução espacial, mas ainda não são suficientes para a análise estrutural em nanoescala.

p A equipe de Kim queria produzir uma técnica que descobrisse que tipo de mudança de estrutura ocorre em torno de indentações de nível nano na superfície do vidro. Como parte do estudo, eles recortaram a superfície do vidro com uma ponta minúscula que pode fazer nano recortes com algumas centenas de nanômetros de profundidade e um ou dois mícrons de largura. Descobrir que tipo de mudanças estruturais acontecem mesmo com níveis minúsculos de danos é importante porque essas imperfeições infinitesimais podem afetar a resistência do vidro.

p De acordo com os pesquisadores, um exemplo disso é Gorilla Glass, fabricado pela Corning Inc. como vidro de exibição para eletrônicos, como telefones celulares, e, mais recentemente, para pára-brisas de carros e aviões. Este vidro é extremamente forte quando sai da planta, mas quando chega aos fabricantes, o vidro está mais fraco. Isso se deve a pequenos arranhões e outros danos durante os contatos físicos feitos pelo contato do papel de transporte, vibração em um caminhão, sentado na embalagem e empurrando-se regularmente durante o descarregamento. Os defeitos podem não ser visíveis, mas são suficientes para enfraquecer o vidro.

p Além disso, o vidro pode corroer. A corrosão é diferente da corrosão do metal. Na corrosão do vidro, o vidro perde alguns de seus elementos constituintes na superfície do vidro e as propriedades químicas do vidro mudam, que também pode enfraquecer o vidro.

p "Então, como caracterizar esses danos estruturais invisíveis? ", disse Kim." Essa é uma área muito importante para a ciência do vidro, como teoricamente, o vidro deve ser tão forte quanto o aço. Mas o vidro não é tão forte quanto o aço e uma das principais razões são os defeitos de superfície. "

p Quando a equipe de Kim fez seus recortes ultra-minúsculos no vidro, eles queriam ver que tipo de mudança estrutural ocorria dentro e ao redor do entalhe devido a danos ao vidro.

p "Então, porque o tamanho máximo dos recuos era de apenas alguns mícrons, precisávamos ter uma técnica de espectroscopia infravermelha altamente resolvida espacialmente para caracterizar isso, "Kim disse.

p Para superar esse desafio e "ver" os danos ao vidro, Kim contatou um colega, Slava V. Rotkin, Professor de Ciências da Engenharia e Mecânica da Penn State Frontier, que usa uma nova técnica de instrumentação conhecida como "mapeamento óptico hiperespectral de campo próximo". Esta técnica oferece resolução espectral óptica e alta resolução espacial e usa um microscópio óptico de campo próximo de varredura por espalhamento construído por Neaspec GmpH, uma empresa alemã de instrumentos de espectroscopia e imagem em nanoescala.

p "Até muito recentemente, estudos como o de Seong foram indiretos porque você não pode realmente fazer imagens das pequenas coisas que acontecem na escala nano, ou tocarão em coisas físicas como átomos ou moléculas, mas não nas propriedades ópticas, "Rotkin disse." Então, nosso instrumento é realmente único porque permite que você faça estudos ópticos em escalas extremamente pequenas, o que nunca foi possível no passado. "

p O vidro é principalmente óxido de silício e o mesmo, em princípio, como areia ou o quartzo cristalino em relógios, com uma diferença marcante - o nível de defeitos presentes. A areia é como uma pedra com muitos defeitos superficiais, quartzo cristalino é um cristal perfeito, e o vidro é algo intermediário. Isso torna difícil "ver" o vidro na escala nano, porque existem tantas não uniformidades. Mas a técnica de mapeamento óptico de campo próximo hiperespectral permite aos pesquisadores zerar e ver os efeitos no vidro desde o arranhão, mesmo além do dano topográfico.

p "É como ver uma grande floresta de cima, e são muitos, muitas árvores, arbustos, cogumelos, flores e assim por diante, e você não sabe realmente o que olhar, "Rotkin disse." Os alunos de Seong fizeram arranhões no vidro. E então você vê o arranhão, é interessante e se destaca, como se você abrisse uma abertura na floresta removendo árvores. E quando você limpa as árvores, pode empurrar um arbusto para o chão e, de alguma forma, mudar a cor das folhas devido a algum dano. Talvez você não consiga ver isso com o instrumento de visualização que está usando, mas com nosso instrumento, é como ver aquele arbusto individual, E não só isso, veja que as folhas ficaram vermelhas. "

p Este é um passo significativo para a ciência do vidro, de acordo com os pesquisadores.

p "O artigo que publicamos, em princípio, abre um novo caminho para aprender como essas não uniformidades de vidro ocorrem, e qual é a física por trás disso, "Rotkin disse." Vemos que há mudanças mecânicas, os arranhões estão produzindo mudanças físicas, mudanças químicas e mudanças nas propriedades ópticas. Isso é extremamente interessante. É realmente um grande negócio. "

p Entender isso é importante porque a precisão é importante para muitos tipos de dispositivos. Uma câmera em um rover de Marte pode medir propriedades espectrais na superfície marciana, mas um arranhão no vidro não só pode afetar as propriedades ópticas, mas também as propriedades mecânicas e químicas que são importantes para medições realmente precisas. Ou, nano arranhões no vidro da câmera de um celular não mudavam apenas a transparência, mas também pode alterar os códigos de cores e resultar em fotos de qualidade inferior, disse a equipe.

p "Este estudo é mais sobre como entender o que acontece com o vidro de uma forma que nunca fizemos antes, e sem entender, um processo ou produto pode ser melhorado apenas por tentativa e erro, "Kim disse." Mas uma maneira melhor de fazer isso é o desenvolvimento ou processamento baseado no conhecimento. Então, se não podemos entender que tipo de defeitos são feitos por contato físico, como podemos tornar a superfície de vidro melhor ou mais perfeita, mais durável, mecanicamente e quimicamente? "

p Armado com esta informação, Kim acredita que há uma grande possibilidade de novos avanços na ciência do vidro.

p "Ao compreender os danos à superfície nano em materiais de vidro multicomponentes usando uma técnica como esta, podemos aumentar significativamente nossa compreensão fundamental da ciência do vidro, "Kim disse.