柔软的支撑可以使玻璃出乎意料地稳定

玻璃是建筑材料、饮料容器、软电子产品和手机屏幕中无处不在的材料，天然致密和刚性玻璃的产生是通过称为老化的过程发生的。它涉及一个缓慢的转变，可能发生在数千年到数亿年之间，其特点是冷却到熔点以下的液体逐渐致密化和刚化。

然而，在2007年，研究人员发现，通过使用一种称为物理气相沉积的过程，也可以通过冷凝气相中的材料来生产稳定的玻璃。气相沉积使刚刚到达表面的分子能够更好地堆积，从而生产出更老的玻璃。

现在，由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Zahra Fakhraai领导的研究小组与布鲁克海文国家实验室的科学家合作，发现了一种进一步加速这一老化过程的方法，重新定义了指导稳定玻璃形成的基本原理。他们的研究结果发表在《自然材料》杂志上。

“我们发现，相当矛盾的是，通过在气相沉积过程中使用柔软、更柔韧的基板，我们可以制造出比以前制造的更坚硬、更致密的玻璃，”Fakhraai 说。“这些发现提供了一种精确设计玻璃薄膜的新方法，并为更快地制造耐用材料铺平了道路。

这一发现是偶然发生的，当时Fakhraai小组的博士后研究员Peng Luo被鼓励尝试使用软基板进行玻璃沉积，主要是出于好奇，“看看较软的基板是否会对材料造成损坏，”他说。“但我们看到的是玻璃，它表现出的特性就好像它老化了数百万年一样，远远超过了使用传统刚性基材的方法。

Luo解释说，以前的研究使用沉积速率和衬底温度来控制表面分子降落在衬底上的组装，并且在适当的温度下，沉积速率越慢，着陆的分子在被入射分子掩埋和“冻结”之前必须将自己调整到更稳定的结构的时间就越长。

“这基本上是表面分子的’自组装’，其方式取决于它们在一定温度下的自身迁移率，我们无法控制沉积的速度，”他说。“我们发现软基板可以使沉积的玻璃膜更致密，这表明基板弹性会影响表面分子的组装过程，因此，这可以用作一个新的维度，在更大的范围内控制玻璃膜的结构和性能，这在以前是无法获得的。

通过部署聚二甲基硅氧烷等软基板，该团队表明，可以显着加速稳定的玻璃形成，从而制造出一种密度比传统液淬玻璃高2-2.5%的材料，比任何其他报道的稳定玻璃大1%。

Luo补充说，另一个值得注意的发现是，他们沉积的分子只有一纳米长;然而，在沉积过程中，表面平衡过程可能会在相当长的距离内受到软基板的影响，测量值约为200纳米。这个距离是值得注意的，因为它远远超出了基于当前玻璃理论的预期，对现有的理解提出了挑战。

“这种效果可以比作在挤满 200 人的礼堂里玩电话游戏，但不知何故，非常神秘的是，信息被完美地传达而没有中断，”Fakhraai 说。“软基底在如此远的距离上的影响表明了表面上的一种远程通信或相互作用形式，这尚未完全理解，我们有兴趣在未来的研究中探索。

扎赫拉·法赫拉伊（Zahra Fakhraai）是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院化学系的教授。

Peng Luo是宾夕法尼亚大学Fakhraai小组的博士后研究员。

其他作者是 Shivajee Govind、Richard B. Stephens、Dong Hyup。宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Kim，Cindy Y. Chen和Truc Nguyen;宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的布兰登·麦克利蒙（Brandon McClimon）;纽约州立大学科特兰分校的Sarah E. Wolf;以及布鲁克海文国家实验室的 Patryk Wąsik 和 Mikhail Zhernenkov。

该研究得到了美国国家科学基金会（授予DMR-1720530，DMR-2309000和DMR-2309043以及研究生研究奖学金计划DGE-1845298）和美国能源部（DE-SC0012704）的支持。