O vidro está sendo usado em uma ampla gama de aplicações de alto desempenho, incluindo aquelas para consumidores e indústria, eletrônica militar e aeroespacial, revestimentos e óptica. Devido à extrema precisão exigida para uso em produtos como telefones celulares e aviões a jato, os substratos de vidro não devem mudar de formato durante o processo de fabricação.



A Corning Incorporated, fabricante de vidros, cerâmicas e materiais relacionados inovadores, investe uma enorme quantidade de recursos no estudo da estabilidade de diferentes tipos de vidro. Recentemente, os pesquisadores da Corning descobriram que a compreensão da estabilidade dos anéis de átomos em materiais de vidro pode ajudá-los a prever o desempenho dos produtos de vidro. Essa capacidade é importante porque o vidro mais utilizado é o vidro de silicato, que consiste em anéis atômicos de diferentes tamanhos conectados em três dimensões.

Conduzindo experimentos de dispersão de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, os cientistas do ORNL e da Corning descobriram que à medida que o número de anéis atômicos menores e menos estáveis ​​em um vidro aumenta, a instabilidade, ou fragilidade líquida, do vidro também aumenta.

Os resultados dos experimentos com nêutrons, publicados na Nature Communications , revelam uma correlação clara entre a estrutura do anel atômico de médio alcance de um vidro de silicato e sua fragilidade líquida. A viscosidade do vidro líquido muda consideravelmente quando ele é resfriado até a temperatura de transição vítrea. Um líquido mais frágil terá uma maior variação de viscosidade com uma determinada variação de temperatura.

"Anteriormente, o mecanismo que conduz as transições vítreas havia escapado aos cientistas", disse Ying Shi, autor correspondente do artigo do estudo e pesquisador associado da Corning. "Não havia uma compreensão clara do motivo pelo qual alguns tipos de vidro solidificaram mais rápido ou mais devagar."

Shi e seus colaboradores da Corning, da Universidade da Califórnia, Los Angeles e da Universidade de Oxford trabalharam com os cientistas da linha de luz do difratômetro de nêutrons NOMAD na Spallation Neutron Source do ORNL para estudar o vidro de aluminossilicato, que é comumente usado pela indústria.

Usando uma ferramenta de análise de dados de dispersão de nêutrons recentemente desenvolvida e validada, RingFSDP, a equipe identificou padrões-chave nos dados coletados que revelaram a relação entre a fragilidade do líquido no vidro e a estabilidade do anel atômico.

RingFSDP é um programa gratuito e de código aberto desenvolvido por cientistas da Corning e ORNL para estudar as estruturas do anel atômico do vidro de silicato. Ele deriva distribuições de tamanho de anel em vidro de silicato a partir da forma do primeiro pico de difração nítido nos dados de difração de nêutrons.

"Conectar a faixa de temperatura de transição vítrea às características estruturais subjacentes de um vidro terá um impacto significativo no design e na produção do vidro", disse Douglas Allan, coautor do artigo e pesquisador da Corning. "Nosso trabalho mostra uma correlação clara entre a estrutura do anel atômico de um vidro e sua faixa de temperatura de transição vítrea e, portanto, as características de desempenho do vidro."

Mais informações: Ying Shi et al, Revelando a relação entre fragilidade líquida e ordem de médio alcance em vidros de silicato, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-022-35711-6
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge