Da man for årtusinder siden begyndte at anvende glas til blandt andet udsmykning, overvejede man ikke at bruge andre råvarer til at fremstille glasset end de mest tilgængelige – nemlig sand, soda og kalk.
Udviklingen af moderne teknologi og dermed anvendelserne af glas har dog sat glas’ skrøbelige brudkarakteristika på prøve. Vi kæmper således fortsat med stenslag i bilruden, revner i smartphonen og ridser på brillerne.
Derfor er det vigtigt at intensivere forskningen i den grundlæggende kemi og fysik bag det transparente materiale, som vi i et vist omfang tager for givet og anser for at være fuldt forstået.
På AAU har vi igennem en årrække forsket i glasmaterialer. I forbindelse med et nyt forskningsprojekt i mekaniske egenskaber af glas sponsoreret af VILLUM Fonden har dette for nyligt ledt til opdagelsen af det mest revnefaste glas, der nogensinde er rapporteret i litteraturen for sammenlignelige glasmaterialer.
\ Historien kort
- Forskere på Aalborg Universitet har opdaget en ny type glas, der kan modstå langt større belastning end almindeligt glas.
- Dette nye glas får sin brudsikkerhed fra sine atomers evne til at pakke sig tættere, hvis glasset for eksempel får et stød.
- Du behøver dog ikke vente med at skifte det revnede glas i din smartphone. Der skal stadig forskes en del i dette nye glas, inden det kommer i masseproduktion.
Hvad skyldes den høje revnefasthed?
Det nye glas består af lithiumoxid (Li2O), aluminiumoxid (Al2O3) og boroxid (B2O3). Den kemiske sammensætning afviger altså markant fra for eksempel vinduesglas, der primært består af siliciumoxid (SiO2), natriumoxid (Na2O) og calciumoxid (CaO). Netop dette er nøglen til, at glasset ikke revner så let.
For at forstå det er det nødvendigt med noget basal viden om glasstruktur. For glasmaterialer gælder det generelt, at atomerne ikke sidder på rad og række som i ordnede, krystallinske materialer.
Mens SiO2-baserede glas består af et kontinuert netværk af silicium- og iltatomer, hvor hvert Si-atom er kemisk bundet til fire O-atomer, så kan B2O3 optræde som en slags 'joker' i glasset. Afhængigt af den kemiske sammensætning kan et B-atom nemlig være bundet til enten tre eller fire O-atomer.
Udover at afhænge af glassets kemiske sammensætning kan den atomare struktur også ændre sig med temperatur og tryk, hvilket er afgørende for glassets mekaniske egenskaber.
Når en glasoverflade kommer i kontakt med et andet legeme (for eksempel en sten), opnås et meget højt lokalt tryk, hvilket får B-atomets koordinationstal til at stige fra tre til fire. Denne evne for B-atomet til at omlejre sin struktur gør, at noget af det mekaniske arbejde, stenslaget tilfører glasset, bliver forbrugt på en mere favorabel måde.
I stedet for at skabe ny overflade (altså en revne) som i tilfældet for vinduesglas, bliver arbejdet brugt på at skabe permanente ændringer i glassets atomare struktur lokalt omkring kontaktområdet.
Hvordan måles revnefasthed?
Glassets mekaniske egenskaber kan være svære at måle, da en revne ikke opstår, hver gang overfladen udsættes for en kritisk belastning. Dette vil mange sikkert genkende fra dagligdagen – man kan tabe sin telefon på en hård overflade flere gange, uden at der sker noget, men på et tidspunkt går skærmen i stykker.
For at gøre målingerne reproducerbare, men samtidig sammenlignelige med et hverdagsscenarie, anvendes typisk en mekanisk hårdhedstester. En hårdhedstester er udstyret med en spids lavet af diamant (verdens hårdeste naturlige materiale), der bliver tvunget ned i overfladen af glasset med en forudbestemt kraft.
Efter aflastning bliver området inspiceret ved hjælp af optisk mikroskopi, og diamantens aftryk bliver evalueret i forhold til antallet af de opståede revner. Målingen bliver gentaget adskillige gange ved en række forskellige belastninger, så vi har et solidt statistisk grundlag til at lave de efterfølgende beregninger.
\ Læs mere
Nødvendigt med stærkere udstyr
For hvert nyt glas, der skal evalueres, starter man med en relativ lav belastning, der ikke giver anledning til nogen revner – blot en permanent fordybning i overfladen.
Belastningen bliver dernæst gradvist øget, og antallet af de observerede revner bliver udtrykt som en sandsynlighed for brud. Belastningen øges, indtil 100 procent sandsynlighed for brud er opnået. Udfordringen ved denne procedure er, at mange af de eksisterende hårdhedstestere til glas er begrænsede i forhold til den maksimale kraft, de kan påføre (traditionelt 1 til 2 kg).
Denne udfordring har hidtil været uden betydning på grund af glas’ dårlige revnefasthed, men opdagelsen af det B2O3-holdige glas har sat de ældre hårdhedstestere på prøve.
Kun 5 procent brudsandsynlighed blev således noteret ved den maksimale belastning på 2 kg. Drevet af et behov for at teste nye materialer ved højere belastninger har vi på Aalborg Universitet fået bevilget økonomiske midler fra Det Obelske Familiefond til indkøb af en ny hårdhedstester.
Udover en tidobling af den maksimale belastning kan det nye udstyr også give information om materialets elasticitet samt udføre en såkaldt ridsetest, hvor diamantspidsen bliver flyttet henover overfladen.
Det giver os et væld af muligheder for at sammenligne forskellige glasmaterialer og således skubbe forskningen op på et højere niveau – og det er der behov for.
Hvornår kommer produktet på markedet?
Selvom det omtalte glas er en stor forbedring i forhold til revnefasthed, så bliver det næppe anvendt på de nyeste smartphone-skærme. Glassets kemiske bestandighed er nemlig en stor stopklods for dets anvendelighed i dagligdagen.
\ ForskerZonen
Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.
Efter kontakt med vand vil overfladen med tiden blive mat, hvilket åbenlyst eliminerer glasset fra de fleste gængse applikationer.
Årsagen til den forringede modstandsdygtighed over for omgivelserne ligger i det høje B2O3-indhold, da B2O3 er meget mere hygroskopisk (mere villigt til at reagere med vand) end SiO2.
Allerede nu arbejder vi på at forbedre dette aspekt ved at skrue på de øvrige komponenter af glasset. For eksempel virker en udskiftning af Li2O med MgO ganske lovende.
På nuværende tidspunkt bliver vi dog nødt til at gå på kompromis med enten de gode mekaniske egenskaber eller den høje kemiske bestandighed af glasmaterialet.
Arbejdet er dog langtfra spildt. Opdagelsen har nemlig givet os en meget større indsigt i de strukturelle mekanismer, der fremmer revnefastheden. Vi forventer derfor, at fremtidig forskning vil drage nytte af den nye opdagelse og blive rettet mod mere industrielt anvendelige kemiske glassammensætninger.
