Немецкие физики приблизились к созданию ударопрочного стекла

Стекло — материал не слишком прочный. Поэтому вся современная электроника требует дополнительной защиты в виде чехлов, плёнок и крайне осторожного с ней обращения. Зная об этой проблеме, инженеры всего мира пытаются найти достойную альтернативу стеклу. Новый материал будет отличаться повышенной прочностью, что адаптирует смартфоны и планшеты будущего под современный ритм жизни.

Решение проблемы пришло с неожиданной стороны.

Инженеры использовали явление так называемых "батавских слёзок". В иностранной литературе их называют "капли принца Руперта" (Prince Rupert's drops).

Эти стеклянные "слёзы" образуются после того, как расплавленное стекло опускают в холодную жидкость. Головка такой капли может выдержать самый сильный удар молотом и не пострадает. Но если хотя бы минимально деформировать хвостик, то стеклянная "слеза" разобьётся на мелкие осколки.

Инженеры знали, что это явление определяется остаточными напряжениями — напряжениями в теле, находящемся в состоянии покоя. Они и изменяют свойства стекла столь причудливым образом. Однако ранее учёные не могли точно объяснить, из-за чего так происходит. Сегодня ответ почти найден.

Группа физиков-теоретиков, химиков и инженеров из Германии и Крита во главе с Мириам Зибенбюргер (Miriam Siebenbürger) из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) провела ряд экспериментов по изучению свойств капель принца Руперта.

Ведущий автор исследования Мириам Зибенбюргер (фото HZB).

Для начала они создали стеклообразный пластик, из которого сформировали микроскопические капли, опустив их в жидкость между двумя вращающимися пластинами. Каждая шарообразная пластиковая частица диаметром не превышала 150 нанометров, что позволяло ей плавать в жидком растворе, но при этом не оседать на дно.

Капли были покрыты термостойкой оболочкой, толщину которой можно было регулировать, повышая или понижая температуру (из-за чего частицы то сжимались, то увеличивались в объёме). Таким образом их агрегатное состояние можно было менять с твёрдого на жидкое, иными словами, расплавить.

Скорость и время вращения пластиковых капель контролировались исследователями. Они заметили, что остаточные напряжения после остановки вращения пластин они также могут контролировать. Зибенбюргер провела реологические измерения, чтобы выяснить, как быстро спадает внутреннее напряжение в частицах после окончания вращения.

Используя математические формулы и компьютерную симуляцию, учёные также смогли предсказать эффекты остаточного напряжения, что, можно сказать, свидетельствует об их полном контроле над процессом. Более того, при значительном увеличении размера капель (со 150 нанометров до нескольких миллиметров в диаметре), эффекты внутреннего напряжения были также предсказуемы и управляемы. Об этом эксперименте учёные написали в пресс-релизе.

Команда исследователей надеется, что в скором времени они смогут создать более лёгкое и прочное стекло, которое можно будет использовать не только для изготовления электроники, но и для автомобильных стёкол или даже украшений.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.