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Materials

C&EN 中文版

坚而不脆的玻璃

氧化铝玻璃薄膜能在被弯曲、拉伸后依旧不破裂

by Prachi Patel
November 14, 2019 | A version of this story appeared in Volume 97, Issue 45
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A photo showing the formation of alumina films from plasma.
Credit: Erkka Frankberg
用强烈的激光射击结晶状氧化铝会将该材料转化为紫色的等离子体，该等离子体会在基料上迅速冷却，形成非晶体态的玻璃状固体。

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研究人员发现用氧化铝制成的玻璃可以在弯曲、拉伸后依旧不破裂（Science 2019, DOI: 10.1126/science.aav1254）。

意大利理工学院(Italian Institute of Technology)的材料科学家Erkka Frankberg说：“它（这种材料）的性质基本上就和金属一样。这项研究完全改变了我们对玻璃材料的认知。”尽管研究人员现在制成的样品是微观尺寸的，但如果该技术可以大规模应用的话，就可以生产出落地时像金属一样凹陷下去的玻璃薄膜，这样的话就可以制造不会摔坏的智能手机屏幕了。

大多数的玻璃是由非晶态固体二氧化硅制做而成，其内部的原子杂乱地排列在一起 。 虽然二氧化硅玻璃坚固，但同时也很脆。Frankberg说：“这是由于原子结构中存在着微小间隙， 这种缺陷会阻止原子在材料受力时向四周移动。由于结构中的原子不能通过破坏并重塑与相邻原子间的化学键而耗散能量，因此玻璃受力时就破碎了。

先前的研究表明，另一种由氧化铝制成的玻璃可能具有可塑性。 里昂大学的Frankile，Lucile Joly-Pottuz和他们的同事进行了一系列详细的研究以验证这一想法。 该团队使用脉冲激光沉积技术制作了60 纳米厚、2 微米宽的氧化铝膜。

这种微观薄膜可拉伸8％，并可压缩到原尺寸的一半。 Frankberg说，即便这种延展性看似很小，但石英玻璃的延展性却为零。 这两种材料之间的区别在于其自身的原子结构中。 通过使用透射电子显微镜和计算机模拟，研究人员表明，他们研发的氧化铝玻璃具有紧密堆积并且无缺陷的原子网络。 Frankberg说这些原子“能够更容易地移动位置，这是可塑性形变所需要的”。

不过将这项工作成果转化成防碎屏幕可能还有很长的路要走。 Frankberg说，“制造大型材料很困难，因为不像二氧化硅，氧化铝‘不想‘成为玻璃“。 氧化铝的玻璃化生产需要制造工艺的进步与新技术，生成更大、更厚、具有纳米级结构的薄膜，从而才能产生该材料的延展性。

尽管如此，西北大学的化学家 Antonio Facchetti点评道：“这项工作显然对化学家关于如何设计更好的玻璃有指导意义 。’’

大面积的无瑕疵氧化铝玻璃薄膜可以使电子设备更加可靠。 东京工业大学的材料科学家Hideo Hosono说，如果这类研究能适用于其他的玻璃系统，则可能会开拓全新的应用领域。 他指出，诸如铟镓锌氧化物之类的非晶态半导体（用于液晶显示器和有机发光二极管电视的薄膜晶体管中）就属于此类研究的应用范畴。 他说：“我认为这一发现揭开了离子无定形材料隐藏的潜力。”.

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