Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета создали пластичные полупроводниковые стекла. Один из полученных образцов по гибкости сопоставим с алюминием и может деформироваться под воздействием давления. Эти материалы перспективны для производства различных изделий, обладающих способностью к снятию механических напряжений, включая устройства ночного видения и накопители данных. Об этом в интервью для «Научной России» сообщил почетный профессор СПбГУ, руководитель университетской кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения, доктор химических наук Юрий Станиславович Тверьянович.
Полупроводниковые стекла принципиально отличаются от обычных стекол тем, что кислород в их составе замещен серой, селеном или теллуром. Благодаря этому свойству они находят применение в инфракрасной оптике (например, в тепловизорах), оптоэлектронике и устройствах хранения информации. Однако полупроводниковые стекла обладают низкой прочностью, поэтому изделия из них подвержены повреждениям. В частности, причиной поломки может быть наличие внутренних напряжений, например, возникающих при горячем прессовании в процессе изготовления инфракрасной оптики или перезаписи данных.
Специалисты Санкт-Петербургского государственного политехнического университета разработали способ повышения устойчивости полупроводниковых стекол к механическим воздействиям: в состав материалов добавили серебро, что придало им пластичность. Полученные таким образом структуры способны выдерживать термические и механические напряжения в течение первых минут воздействия, после чего постепенно снижают их интенсивность.
«Внедрение серебра в структуру полупроводниковых стекол осуществляется посредством общепринятой технологии высокотемпературного синтеза, используемой в кварцевых ампулах. Данный способ применяется как при проведении лабораторных исследований, так и в промышленном масштабе. Отсутствуют существенные отличия, поэтому, на мой взгляд, увеличение объемов производства не вызовет значительных трудностей», — сказал Ю.С. Тверьянович.
Откуда взялась концепция разработки и каков механизм, благодаря которому полупроводниковые стекла приобретают большую пластичность при введении серебра?
«По моему мнению, развитие науки определяется не столько найденными ответами, сколько сформулированными вопросами, особенно когда они противоречат общепринятым взглядам. Ярким примером является представление о хрупкости стекла. Эта концепция настолько укоренилась в нашем восприятии, что на упаковках с изделиями, требующими бережного обращения, обязательно указывается предупреждающий знак в виде изображения стеклянного бокала Ю.С. Тверьянович. — Если задать вопрос, противоречащий этим представлениям, а именно — возможно ли увеличить пластичность неорганических стекол — то в первую очередь необходимо разобраться в причинах их хрупкости. Дело в том, что структура стекол обусловлена ковалентными связями, характеризующимися направленностью и предельной жесткостью межатомного взаимодействия. С одной стороны, это является преимуществом, поскольку именно благодаря этому расплав материала при охлаждении быстро увеличивает свою вязкость и переходит в стекловидное состояние.
Для получения стекол невозможно избежать образования ковалентных связей. Вместе с тем, именно они обуславливают хрупкость материалов. Поскольку отказ от ковалентных связей невозможен, остается лишь один выход – введение дополнительных химических связей, которые способны разрешить возникшую проблему. Какие характеристики им необходимы? В отличие от ковалентных связей, они должны быть ненаправленными, то есть обеспечивать симметричное взаимодействие между атомами, и обладать более слабым потенциалом межатомного взаимодействия. Подходящим решением является взаимодействие Ван-дер-Ваальса. Одна из его разновидностей – металлофильные связи. Информация о них широко используется в супрамолекулярной химии и химии металлоорганических комплексов. Однако в области неорганических соединений вопрос металлофильных связей ранее не рассматривался.
Серебро относится к металлам, формирующим металлофильные связи. В связи с этим, добавление соединений серебра в стекло, как мы предполагаем, должно повысить его пластичность».
Практические испытания подтвердили выдвинутую гипотезу. На данный момент ученые получили ряд стеклообразующих составов. Полученные материалы можно разделить на две группы: составы с низким и составы с высоким содержанием соединений серебра.
«Стекла, содержащие незначительное количество халькогенидов 1 серебра обладают хорошей кристаллизационной устойчивостью, но их пластичность увеличивается не столь существенно. Из них можно изготавливать оптические детали приборов, работающих в инфракрасном диапазоне, например, для устройств ночного видения, — объяснил Ю.С. Тверьянович. — Стекла, содержащие значительное количество халькогенидов серебра, характеризуются слабой стеклообразующей способностью. Их получение в стеклообразном состоянии возможно только при быстром охлаждении, например, методом напыления пленок. Халькогенидные пленки находят широкое применение в различных областях, в частности, они используются в устройствах энергонезависимой памяти, таких как диски для лазерной записи информации. Однако при работе с такими накопителями данных возникает сложность: под воздействием лазерного излучения одни микрообласти пленки кристаллизуются, а другие переходят в стеклообразное состояние, что приводит к возникновению механических напряжений из-за различий в их плотности. Для решения этой проблемы предлагаются различные подходы. Окончательное разрешение вопроса потребует создания материала, способного к релаксации механических напряжений».
1Халькогениды — бинарные соединения, содержащие элементы 16-й группы Периодической таблицы (например, серу, селен, теллур, кислород и другие.).
В Центре исследования экстремальных состояний материалов и конструкций, расположенном в Научном парке СПбГУ, образцы прошли первичные испытания и выдержали воздействия, которые приводят к разрушению обычного стекла.
Образец стекла, относящийся к первой группе (с низким содержанием халькогенидов серебра), подвергли испытанию на сжатие, поместив между двумя жесткими пластинами на специализированном оборудовании. В результате испытания материал выдержал снижение приложенной нагрузки на 75% (на 50% – в первые 20 минут).
Образец из второй группы, характеризующийся повышенным содержанием соединений серебра и представляющий собой очень тонкую пленку толщиной приблизительно 1–2 микрон, был исследован с использованием нанотвердомера – устройства, предназначенного для работы с материалами микроскопических размеров. В ходе испытаний было установлено, что его пластичность сравнима с пластичностью алюминия.
Работа выполняется при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24−23−140 « Пластичные неорганические стекла»). Деятельность химиков Санкт-Петербургского государственного политехнического университета оказывает значительное влияние на реализацию целей национального проекта «Новые материалы и химия».
«Развитие наших исследований предполагает два направления. Первое из них – углублённые изыскания, то есть работа “вглубь”. Металлофильные взаимодействия, проявляющиеся в уже синтезированных нами материалах, оказывают влияние не только на механические свойства стекол, но и на ряд других характеристик, включая тепловые свойства и фононный спектр (энергию, связанную с колебаниями атомов в кристаллической структуре — прим. ред.) . Подчеркнул, указав, что в числе приоритетных задач стоит исследование новых факторов воздействия металлофильных взаимодействий на характеристики создаваемых материалов Ю.С. Тверьянович. — Вторым направлением является экстенсивное развитие исследований, то есть расширение области их проведения. Предварительные данные позволяют предположить, что подобное увеличение пластичности может быть выявлено и у широко распространенных, “традиционных” оксидных стекол, пропускающих видимый свет. На данный момент мы отобрали несколько систем, на основе которых будем проверять эту гипотезу».
Фото на превью: cc0collection / фотобанк 123RF