Поиск - новости науки и техники

Призрачность прозрачности. Стекло все еще хранит множество секретов.

Институт химии силикатов им. И.В.Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) возрождает конференцию, посвященную фундаментальным и прикладным исследованиям стеклообразного состояния вещества. Термином “стекло” ученые обозначают не только всем известный конструкционный материал, технологией изготовления которого люди владеют уже несколько тысяч лет, доведя ее до такого уровня, что возможности стекла стали практически безграничны. С точки зрения фундаментальной науки, стекло – это, в первую очередь, специфическое состояние вещества, многие тайны которого пока не разгаданы.
Конференция с международным участием “Стекло: наука и практика” пройдет в Санкт-Петербурге 6-8 ноября 2013 года под эгидой Национальной комиссии по стеклу России и при поддержке Отделения химии и наук о материалах РАН и Санкт-Петербургского научного центра. Она продолжит традиции, начало которым было положено в 40-х годах прошлого века. С того времени в нашей стране регулярно проводились всесоюзные совещания и симпозиумы, посвященные исследованию стеклообразного состояния. К 1986 году таких форумов было проведено восемь. В каждом участвовало более 500 специалистов, в том числе иностранные ученые. Труды большинства совещаний переводились на английский язык и издавались за рубежом.
С 1990-х годов и до настоящего времени конференции не проводились. Впрочем, российские ученые, как и их коллеги за рубежом, продолжали исследовать строение и свойства стеклообразующих систем и немало в этом преуспели. Они научились синтезировать стекла с заданными параметрами и создавать на основе стекла новые материалы, обладающие уникальными физико-химическими, спектрально-оптическими и техническими характеристиками.
По просьбе “Поиска” ученые из ИХС РАН рассказали о сложных и интересных задачах, которые они решают сегодня. Оказалось, что прозрачность встречающегося нам на каждом шагу вещества обманчива.
– Строение стекла на атомном уровне изучается уже почти 100 лет, но до сих пор вопросов здесь больше, чем ответов, – говорит заведующий Лабораторией строения и свойств стекла Валерий Голубков. – Однозначного и достаточно полного представления о структуре стекла не получено. В 1920-1930-х годах были предложены две альтернативные модели: “кристаллитная”, рассматривавшая стекло как поликристалл (агрегат мелких кристаллов), и “беспорядочной сетки”, согласно которой стекло – абсолютно аморфное вещество, в котором отсутствует какой-либо порядок расположения атомов. В настоящее время можно считать общепризнанным представление о том, что в результате химических реакций в стеклах на уровне ближнего порядка образуются атомные группировки с постоянной структурой, соответствующей определенным химическим соединениям. Поскольку существующие в стеклах идентичные по строению группировки атомов случайным образом распределены в объеме, для понимания, как устроено конкретное стекло, необходимо установить характер расположения отдельных структурных элементов и тип образуемых ими связей.
Знание природы стеклообразного состояния позволяет ученым количественно описывать многие процессы, что, в свою очередь, открывает возможности синтеза новых стекол с прогнозируемыми свойствами для различных областей техники. Помимо структурных исследований лаборатория Валерия Голубкова занимается изучением стеклокристаллических материалов. Они получаются, когда в стекле при термообработке выделяется наноразмерная кристаллическая фаза. Меняя состав вводимых добавок и условия плавления, можно получать вещества с уникальными свойствами. Это, например, темнеющие на свету фотохромные стекла, прозрачные полотна с теплоизолирующими свойствами, соединения для лазерной техники, имеющие требуемые оптические свойства.
Стекло – нестабильный материал: в нем постоянно идут процессы релаксации – перестройки атомной структуры. Они не прекращаются даже в обычных условиях, хотя скорость этих процессов сильно зависит от температуры. В Лаборатории строения и свойств стекла ведутся работы по изучению механизма релаксации, помогающие понять, как могут меняться со временем физические свойства стекол.
В отличие от многих коллег-“стекольщиков”, объекты исследования которых, сложные по составу и структуре, хотя бы по виду напоминают простого оконного собрата, сотрудники Лаборатории физической химии стекла колдуют над очень необычными образцами. Впрочем, эти новые силикатные материалы тоже относятся к большой стекольной семье и их ждут не дождутся специалисты, работающие на переднем крае в таких областях, как фотоника, электроника, оптика, аналитическое приборостроение.
– Современные технологии направлены на миниатюризацию элементов, поскольку в наноразмерном состоянии вещества проявляют уникальные свойства, – объясняет суть своих работ руководитель лаборатории Татьяна Антропова. – Мы разрабатываем термически, химически и биологически устойчивые пористые силикатные стекла с размером пор от одного нанометра. Они могут использоваться как мембраны, адсорбенты, фильтры. Вместе с коллегами из Института аналитического приборостроения РАН мы продемонстрировали возможность использования пористого стекла для создания на его основе оптических сенсорных элементов для биохимического микроанализа.
Наши “кремнеземные губки” востребованы и в качестве матриц для композитных материалов с заданными свойствами. Вещества, введенные в эти матрицы, приобретают уникальные физические свойства. Такая “конструкция в сборе” представляет собой готовый элемент, который можно встраивать в прибор. При синтезе в состав подобной матрицы можно ввести железо, и она приобретет магнитные свойства. Если в ее поры внедрить сегнетоэлектрик, получится композит со свойствами мультиферроика – соединения, обладающего одновременно магнитным и электрическим откликом. Этот класс веществ чрезвычайно востребован в современной электронике.
Еще одно интересное направление, которое ИХС РАН развивает в содружестве с Санкт-Петербургским национальным исследовательским университетом информационных технологий, механики и оптики, – воздействие на силикатные матрицы лазерного излучения, которое обеспечивает их локальное спекание. Спекшиеся и нетронутые участки демонстрируют разные показатели преломления, благодаря чему образцы могут работать как микрооптические элементы – линзы, волноводы, растры. А вместе с Научным центром волоконной оптики РАН ученые ИХС РАН работают над созданием новых материалов, излучающих в коротковолновой области инфракрасного диапазона. Им удалось, например, синтезировать висмут-содержащие кварцоидные стекла, которые обладают люминесценцией во всем видимом спектральном диапазоне. На основе этих материалов можно изготавливать перестраиваемые или суперлюминесцентные источники излучения.
Интерес к исследованиям в области стеклообразного состояния с каждым годом растет, отмечают сотрудники Института химии силикатов им. И.В.Гребенщикова РАН. Для координации работ в этой сфере создана Национальная комиссия по стеклу, представляющая нашу страну на международном уровне. Очередное заседание этой комиссии планируется провести в рамках конференции по стеклу в Санкт-Петербурге. Еще одна “изюминка” форума – конкурс работ молодых ученых. Старших коллег радует, что в науку, в институт, в их область пошла молодежь. Что ж, это действительно показатель того, что ученым удалось не дать “рассыпаться на осколки” важному научному направлению.

На фото: Кандидат химических наук Наталья Тюрнина за работой;

Кристаллы кордиерита в стекле

Надежда Волчкова
Фото Зои Тюрниной  
и Николая Юрицына 

Нет комментариев