Por primera vez, los cambios estructurales subsuperficiales del vidrio de sílice debido al desgaste y daño a nanoescala se han revelado mediante espectroscopía, lo que puede conducir a mejoras en productos de vidrio como pantallas electrónicas y parabrisas de vehículos, según un equipo de investigadores internacionales.

"Una de las principales áreas de investigación de mi grupo es la ciencia de la superficie del vidrio, principalmente la relación entre propiedad, la estructura del vidrio, y propiedades mecánicas y químicas, especialmente durabilidad mecánica y durabilidad química, "Seong Kim, Profesor distinguido de Penn State de ingeniería química y coautor principal del estudio en Acta Materialia , dijo. "Y una de las técnicas que hemos estado usando es la espectroscopía vibracional. Pero el desafío del análisis estructural a nanoescala de una superficie de vidrio es que muchas de las técnicas de espectroscopía que la gente usa ampliamente no funcionan aquí".

La espectroscopia infrarroja puede detectar defectos superficiales solo hasta cierto punto. Si el tipo de defecto que se genera en la superficie del vidrio es menor de 10 micrones, que está por debajo de la longitud de onda de 10 micrones de la espectroscopia infrarroja, no puede ser analizado o fotografiado apropiadamente. Las técnicas de análisis como la espectroscopia Raman utilizadas en la comunidad de investigación del vidrio funcionan mejor en términos de resolución espacial, pero aún no son suficientes para el análisis estructural a nanoescala.

El equipo de Kim quería producir una técnica que encontrara qué tipo de cambio de estructura ocurre alrededor de las hendiduras de nano-nivel en la superficie del vidrio. Como parte del estudio, mellaron la superficie del vidrio con una punta diminuta que puede hacer nano indentaciones de unos cientos de nanómetros de profundidad y una o dos micras de ancho. Es importante descubrir qué tipo de cambios estructurales ocurren incluso con niveles mínimos de daño porque estas imperfecciones infinitesimales pueden afectar la resistencia del vidrio.

Según los investigadores, un ejemplo de esto es Gorilla Glass, fabricado por Corning Inc. como pantalla de cristal para dispositivos electrónicos como teléfonos móviles, y más recientemente para parabrisas de automóviles y aviones. Este vaso es extremadamente fuerte cuando sale de la planta, pero cuando llega a los fabricantes, el vidrio es más débil. Esto se debe a pequeños rasguños y otros daños durante los contactos físicos realizados por el contacto del papel de envío, vibración en un camión, sentado en el embalaje y empujones regulares durante la descarga. Los defectos pueden no ser visibles, pero son suficientes para debilitar el vidrio.

Además, el vidrio puede corroerse. La corrosión es diferente a la corrosión del metal. En la corrosión del vidrio, el vidrio pierde algunos de sus elementos constituyentes en la superficie del vidrio y las propiedades químicas del vidrio cambian, que también puede debilitar el vidrio.

"Entonces, ¿Cómo caracterizar un daño estructural tan invisible? ", dijo Kim." Esa es un área muy importante para la ciencia del vidrio, como teóricamente, el vidrio debe ser tan fuerte como el acero. Pero el vidrio no es tan fuerte como el acero y una de las principales razones son los defectos superficiales ".

Cuando el equipo de Kim hizo sus minúsculas hendiduras en el vidrio, querían ver qué tipo de cambio estructural se produjo dentro y alrededor de la sangría debido a daños en el vidrio.

"Entonces, debido a que el tamaño máximo de las sangrías era de solo unas pocas micras, necesitábamos tener una técnica de espectroscopía infrarroja altamente resuelta espacialmente para caracterizar esto, "Dijo Kim.

Para superar este desafío y "ver" daños en el vidrio, Kim se puso en contacto con un colega, Slava V. Rotkin, Profesor de Penn State Frontier de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, que utiliza una nueva técnica de instrumentación conocida como "mapeo óptico hiperespectral de campo cercano". Esta técnica ofrece tanto una resolución espectral óptica como una resolución espacial alta y utiliza un microscopio óptico de campo cercano de barrido de dispersión construido por Neaspec GmpH, una empresa alemana de instrumentos de espectroscopia e imágenes a nanoescala.

"Hasta hace muy poco, Los estudios como el de Seong fueron indirectos porque realmente no se pueden obtener imágenes de las pequeñas cosas que suceden a nanoescala, o tocarán cosas físicas como átomos o moléculas, pero no las propiedades ópticas, "Dijo Rotkin." Entonces, nuestro instrumento es realmente único porque le permite realizar estudios ópticos a escalas extremadamente pequeñas, que nunca fue posible en el pasado ".

El vidrio es principalmente óxido de silicio y lo mismo, en principio, como la arena o el cuarzo cristalino de los relojes, con una gran diferencia:el nivel de defectos presentes. La arena es como una piedra con muchos defectos superficiales, el cuarzo cristalino es un cristal perfecto, y el vidrio es algo intermedio. Esto hace que sea difícil "ver" el vidrio a nanoescala, porque hay tantas faltas de uniformidad. Pero la técnica de mapeo óptico hiperespectral de campo cercano permite a los investigadores concentrarse y ver los efectos en el vidrio del rayado incluso más allá del daño topográfico.

"Es como ver un gran bosque desde arriba, y hay muchos, muchos arboles, arbustos champiñones, flores y así sucesivamente, y no sabes realmente qué mirar, "Dijo Rotkin." Los estudiantes de Seong hicieron rasguños en el vidrio. Y luego ves el rasguño es interesante y se destaca, como si despejaras una abertura en el bosque quitando árboles. Y cuando quitas los árboles, puede empujar un arbusto al suelo y de alguna manera cambia el color de las hojas debido a algún daño. Tal vez no pueda ver eso con el instrumento de visualización que está utilizando, pero con nuestro instrumento, es como poder ver ese arbusto individual, y no solo eso, ver que las hojas se han puesto rojas. "

Este es un paso importante para la ciencia del vidrio, según los investigadores.

"El artículo que publicamos en principio allana la nueva vía para aprender cómo ocurren estas faltas de uniformidad en el vidrio, y cuál es la física detrás de eso, ", Dijo Rotkin." Vemos que hay cambios mecánicos, los arañazos están produciendo cambios físicos, cambios químicos y cambios en las propiedades ópticas. Esto es sumamente interesante. Realmente es algo muy importante ".

Comprender esto es importante porque la precisión es importante para muchos tipos de dispositivos. Una cámara en un rover de Marte puede medir propiedades espectrales en la superficie marciana, Pero un rasguño en el vidrio no solo podría afectar las propiedades ópticas, pero también las propiedades mecánicas y químicas que son importantes para mediciones verdaderamente precisas. O, Los nano arañazos en el cristal de la cámara de un teléfono móvil no solo pueden cambiar la transparencia, pero también podría cambiar los códigos de color y dar como resultado fotos de menor calidad, dijo el equipo.

"Este estudio trata más sobre la comprensión de lo que le sucede al vidrio de una manera que nunca antes habíamos hecho, y sin entendimiento, un proceso o producto se puede mejorar con solo prueba y error, "Dijo Kim." Pero una mejor manera de hacerlo es el desarrollo o procesamiento basado en el conocimiento. Entonces, si no podemos entender qué tipo de defectos se producen por contacto físico, ¿Cómo podemos mejorar o perfeccionar la superficie del vidrio? más durable, mecánica y químicamente? "

Armados con esta información, Kim cree que existe una gran posibilidad de nuevos avances en la ciencia del vidrio.

"Al comprender el daño de la nano superficie sobre los materiales de vidrio multicomponente utilizando una técnica como esta, podemos aumentar significativamente nuestra comprensión fundamental de la ciencia del vidrio, "Dijo Kim.