Санкт-Петербургский университетНаука
Будь гибким, оставайся прочным
Можно ли создать стекло, которое будет гнуться? Ученые СПбГУ знают, как это сделать.
Сегодня для изготовления инфракрасной оптики (например, приборов ночного видения), гибкой электроники и внешних накопителей данных используются полупроводниковые стекла. Они довольно хрупкие, поэтому изделия из них легко повредить. Исследователи Университета нашли способ сделать полупроводниковые стекла гибкими и тем самым повысить прочность устройств, созданных на их основе.
Работа с напряжением
Полупроводниковые (или также халькогенидные) стекла — это обычные стекла, в составе которых кислород заменен на какой-то из элементов группы халькогенов: серу, селен или теллур. По словам Юрия Станиславовича Тверьяновича, почетного профессора СПбГУ, заведующего кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ, гибкость помогает таким материалам выдерживать напряжения, возникающие из-за разных факторов. Например, при массовом производстве халькогенидных деталей для инфракрасной оптики используется недорогой и эффективный метод горячего прессования. В произведенных таким образом изделиях из-за перепадов температур остаются температурные напряжения, уменьшающие прочность.
При использовании полупроводниковых стекол в устройствах энергонезависимой памяти (хранят данные без энергопотребления, по типу флеш-накопителя. — Прим. ред.) тоже возникает подобная проблема. «Работа названных записывающих устройств основана на том, что под действием лазерного излучения микроскопические области полупроводниковых пленок переходят из стеклообразной формы в кристаллическую и обратно. Считывание информации происходит за счет учета этих фазовых переходов, — объясняет Юрий Тверьянович. — Стекло и кристалл имеют разную плотность, за счет чего при переходе из одного состояния в другое в материале тоже возникают напряжения, уже механические».
Как рассказал ученый, перед химиками СПбГУ не стоит задачи предотвратить образование термических и механических напряжений. Они нацелены создать стекло, которое будет выдерживать их в первые минуты воздействия, а затем постепенно снижать, то есть релаксировать.
Рецепт пластичности
Исследователи смогли сделать халькогенидные стекла гибкими за счет внедрения в них металлофильных связей. «В простых стеклах атомы соединены ковалентными связями, направленными и прочными, не дающими атомам смещаться, — поясняет Юрий Тверьянович. — Металлофильные связи ненаправленные, более мягкие и позволяют атомной структуре деформироваться. Введение в состав халькогенидного стекла, например, серебра, способного к металлофильному взаимодействию, делает материал пластичным».
По словам Юрия Тверьяновича, халькогенидное стекло с внедренным в него серебром обладает свойством релаксации напряжений: как термических, так и механических. Оно способно выдерживать силу сжатия, под действием которой обычное стекло разбивается, снижая ее в процессе релаксации.
Сегодня ученые СПбГУ работают над различными вариантами создания металлофильных связей в халькогенидных стеклах, чтобы разработать гибкий материал с оптимальными характеристиками.
К сжатию готовы
Недавно химикам Университета удалось получить макроскопический образец стекла, которое способно в два раза уменьшить приложенную к нему силу напряжения всего за 20 минут. Такой материал исследователи получили без каких-либо сложных приемов: классическим химическим синтезом. Они брали необходимые химические элементы в нужных пропорциях и помещали их в кварцевую ампулу, из которой затем выкачивали воздух. Далее ампулу запаивали и держали во вращающейся печи, потом ее остужали.
Пластичность получившегося материала ученые проверяли в «Центре исследования экстремальных состояний материалов и конструкций» Научного парка СПбГУ. По словам Юрия Тверьяновича, тестовый образец стекла в виде цилиндра исследователи зажимали на специальной установке между двумя твердыми пластинами, которые постепенно приближались друг к другу, а затем фиксировались. Специалисты измеряли силу, с которой на материал оказывалось давление, а также насколько и за какое время оно уменьшалось.
«По снижению величины приложенной силы сжатия можно наблюдать, как в стекле сокращается внутреннее напряжение и происходит релаксация. В итоге чем меньше остаточная сила сжатия, тем больше величина релаксации в материале, то есть выше его пластичность», — рассказывает Юрий Тверьянович. В тесте полученное учеными халькогенидное стекло снизило приложенное к нему напряжение на три четверти. Это очень хороший результат.
Химики СПбГУ создали еще один перспективный образец. Пока он получен только в микроскопическом варианте: в виде пленки толщиной примерно один-два микрона. Его специалисты получали методом лазерного напыления, а пластичность проверяли потому же принципу с помощью специального прибора — нанотвердомера. Он предназначен для работы с материалами малого размера. «Это стекло получилось гибким настолько, что оно в буквальном смысле слова мнется, — отмечает исследователь. — По пластичности оно сравнимо с алюминием и даже превосходит его».
Каждому по гибкости
Как рассказал ученый, химики СПбГУ предполагают, что повысить гибкость можно не только у халькогенидных стекол, но и у самых обычных оксидных, то есть тех, из которых сделаны, например, банки и лампочки. «Пока у нас не получилось создать такой образец, но определенные экспериментальные успехи мы уже имеем и намерены продолжать исследования», — говорит Юрий Тверьянович.
По его словам, внедрение металлофильных связей в материалы используется не только для получения гибких стекол, но и д ля создания пластичных кристаллических полупроводников. Химики Университета работают также и в э том направлении: из халькогенидных полупроводниковых соединений они получили гибкую проволоку и фольгу. «По составу эти материалы и п ластичные стекла практически одинаковые, различно только их состояние: в одном случае стеклообразное, в другом — кристаллическое», — поясняет Юрий Тверьянович. По его словам, гибкая фольга и проволока будут полезны как в гибкой электронике, так и в микроэлектронике, где тоже важна прочность.
Важно
Химики СПбГУ проводят исследования в рамках гранта РНФ № 24-23-00140 «Пластичные неорганические стекла».
Факт
В ходе разработки гибких стекол ученые СПбГУ использовали оборудование следующих ресурсных центров Научного парка Санкт-Петербургского университета:
- «Оптические и лазерные методы исследования вещества»;
- «Физические методы исследования поверхности»;
- «Рентгенодифракционные методы исследования»;
- Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники;
- «Термогравиметрические и калориметрические методы исследования»;
- Центр исследования экстремальных состояний материалов и конструкций.
СПбГУ в деле
Химики СПбГУ под руководством Регины Маратовны Исламовой, профессора СПбГУ (кафедра химии высокомолекулярных соединений), тоже разработали материалы для гибкой электроники. Ученые научились быстро, эффективно и безопасно создавать силиконовые композиты, способные проводить электрический ток, растягиваться и стабильно сохранять свои свойства. Подробнее о разработке можно прочитать в материале на сайте «СПбГУ в деле».
Интересно
Пленки из халькогенидных стекол применяются для создания голограмм.
Источник: Тверьянович Ю. С. Некоторые идеи в химии и физике халькогенидных стекол // Международный год стекла в России. Материалы научной конференции. 2022. С. 147–155.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl