На микроскопическом уровне стёкла — это твёрдые вещества, которые выглядят скорее как жидкости, что обусловлено отсутствием дальнего порядка в их кристаллической структуре. Обычно стёкла получают быстрым охлаждением соответствующих жидкостей-расплавов таким образом, чтобы избежать (проскочив) стадии кристаллизации вещества. Поэтому, когда нужно создать стекло с какими-то специфическими свойствами, возникает необходимость в точнейшем контроле каждого параметра перехода «жидкость — стекло», что на практике очень трудно осуществить.

Группа учёных из Принстонского университета (США) разработала метод контролируемого получения стабильного стекла из полимеров.

Судя по описанию, представленному в выпуске журнала Nature Materials от 5 февраля, чудо-стёкла являются экстремально легковесными, обладают более высокими температурами перехода и сохраняют свои свойства при гораздо более высоких температурах, чем стёкла обычные. Материал получали методом напыления, а не простого охлаждения, используя технику MAPLE (matrix-assisted pulsed laser evaporation, испарение из жидкой или твёрдой матрицы пульсирующим лазером).

В результате происходило образование стекла в виде наноразмерных глобул — материала с чрезвычайно интересными теоретическими свойствами, равно как и возможными практическими применениями.

Рис. 1. Полимерное стекло, полученное методом MAPLE (атомно-силовая микрофотография Rod Priestley / Princeton University).

Обычный, веками отработанный процесс получения стекла начинается с приготовления расплава, который затем быстро охлаждают, с тем чтобы вещество проскочило стадию кристаллизации (кристаллизация — медленный термодинамический процесс, характеризующийся стадией образования зародышей и их медленным ростом). В итоге продукт сохраняет некоторые «жидкие» свойства даже в отверждённом состоянии.

Технология очень требовательна к деталям: переход из жидкой фазы в стекло — процесс кинетический, зависящий от скорости, с которой проводилось охлаждение. Кроме того, стёкла, полученные обычным методом, нестабильны при высоких температурах.

Техника MAPLE начинается с приготовления замороженного раствора полиметилметакрилата — РРМА, полимера, который был выбран для исследования. После этого раствор подвергается воздействию пульсирующего лазера, испаряющего некоторое количество свободного полимера, пары которого осаждаются на подложку из диоксида кремния.

В сравнении с быстроохлаждённым PPMA технология MAPLE позволяет получать стекло с существенно более высокой температурой перехода (примерно на 40 ˚С выше). Это означает, что MAPLE-стекло стабильно при температурах, при которых стекло, полученное быстрым охлаждением полимера, уже расплавилось бы. Используя измерение индекса преломления, учёным удалось определить, что MAPLE-стекло на 40% менее плотное, чем стёкла из того же PPMA, полученные по обычной методике. То есть новый материал оказался куда легче, и это никак не сказалось на его твёрдости: более лёгкое стекло столь же устойчиво, как и полученное простым охлаждением.

Как можно было ожидать, MAPLE-стекло конвертируется в обычное при быстром нагревании-охлаждении, что приводит к съёживанию глобул вплоть до их полного исчезновения.

Подождём, когда авторы придумают, как же использовать своё открытие.