研究解释了某些类型的氧化物在特种玻璃结构和开发中的作用

巴西圣保罗州圣卡洛斯玻璃材料研究、教育和创新中心 (CeRTEV) 进行的一项研究首次表明，在硅酸盐玻璃中加入氧化铌 (Nb2O5) 会导致二氧化硅网络聚合，从而产生二氧化硅网络聚合反应。提高粘合密度和连接性，增强特种玻璃的机械和热稳定性。

该研究得到了 FAPESP 的支持，并发表在《Acta Materialia》杂志上的一篇文章中。

该文章的第一作者 Henrik Bradtmüller 是圣卡洛斯联邦大学精确科学与技术中心 (CCET-UFSCar) 的博士后研究员，拥有 FAPESP 奖学金。他的导师是 CeRTEV 的主管、本文的最后作者 Edgar Dutra Zanotto。

CeRTEV 由 UFSCar 主办，是 FAPESP 资助的研究、创新和传播中心 (RIDC) 之一。

“我们的研究将核磁共振光谱和拉曼光谱的实验观察与计算模型结合起来。除了提到的结果之外，我们发现较高含量的铌会导致 Nb2O5 形成团簇，并提高电子极化率，对玻璃的光学性能产生重大影响。”Bradtmüller 说道。

值得回顾的是，拉曼光谱提供了有关材料分子结构的精确信息，而核磁共振 (NMR) 光谱还探索了其原子核的磁性。

“我们基于这两种观测技术加上计算模型的策略可用于研究许多其他类型玻璃的功能元素，包括光学材料、生物活性玻璃和玻璃快离子导体。这将有助于开发适合各种应用的创新玻璃配方。”Bradtmüller 说道。

Bradtmüller 指出，除了容器、窗户等领域的普通玻璃的日常应用之外，高质量玻璃在当今世界也几乎无处不在。它存在于科学家使用的显微镜​​和望远镜中，例如用于传输数据和电力的光纤，以及越来越多地用于医学的玻璃陶瓷矫形装置中。“为了认识到玻璃在当代社会中发挥的作用，联合国宣布 2022 年为国际玻璃年，”他说。

对于先进的高科技应用，材料科学家正在使用机器学习软件和其他计算资源来设计具有定制特性的玻璃，但要做到这一点，他们需要可靠的数据库和结构参数，并考虑到玻璃的物理化学复杂性。

这就是 Bradtmüller 及其同事的研究的相关性。“玻璃中间氧化物在这个新技术时刻发挥着战略作用。它们在实验室的标准冷却下不会形成玻璃，但在其他氧化物存在的情况下，它们可以通过帮助建立氧桥并赋予玻璃所需的性能来做出积极的贡献。氧化铌就是一个很好的例子，”他解释道。

含有铌 (Nb) 的玻璃因其非线性光学特性(在光电器件中具有潜在应用)以及与生物活性材料制造相关的机械特性而受到重视。“尽管我们之前已经使用 Nb2O5 进行了研究，但 Nb 的结构作用仍然不清楚，这主要是由于缺乏系统的光谱表征数据。我们着手在我们的研究中填补这一知识空白，”他说。

“我们通过光谱发现，铌的添加会导致二氧化硅-氧网络的‘聚合’，从而增加玻璃组件的连通性。这阐明了铌作为“网络形成者”的作用。这项研究的另一个亮点是我们证明了我们在 2020 年使用其他材料开发的新核磁共振技术也适用于玻璃。这项技术被称为 W-RESPDOR，可用于测量两种元素之间的距离——在本例中是锂和铌，它的原子核如此具有挑战性，以至于从未用类似的技术进行过测量。”

他解释说，计算模型表明，锂离子在纳米尺度(5-10 纳米)的二氧化硅基玻璃中随机分布，而铌在 Nb2O5 浓度较高时倾向于形成簇，并补充说这种结构排列以前从未出现过。文献中报道，是该研究的原创贡献。

Zanotto 说：“从更广泛的角度来看，这项研究指出了一种实验和计算策略，用于研究具有活性核的中间氧化物在核磁共振光谱中所起的作用。”

这篇文章的其他作者包括 CeRTEV 副主任、NMR 专家 Hellmut Eckert;Anuraag Gaddam 是一位专门研究计算机模拟的博士后研究员，获得 FAPESP 的奖学金并由 Eckert 监督。