客观日本

宇宙实验发现,像晶体一样排列的液态铒氧化物

2020年06月17日 化学材料

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、日本物质材料研究机构等组成的国际研究团队研究发现,铒(稀土元素之一)的氧化物Er2O3即使在高温下熔化变成液体,其原子也是有序排列的,呈现出像晶体一样的结构。这是通过在国际空间站(ISS)上实验和利用大型同步辐射设施“SPring-8”(兵库县佐用町)进行分析取得的成果,这一成果有助于加深对玻璃的理解并为开发智能手机用高性能玻璃等做出贡献。

人类从公元前就开始加工和使用玻璃。当时主要以氧化物为原料,原子和分子不像晶体那样有序排列,而是在不规则的状态下冷却硬化。制作方法是加热原料变成液体然后迅速冷却,不过当时形成玻璃物质和形成晶体的物质之间的区别至今仍不太清楚。在原子和电子水平查清这种区别成为重要课题。

以往的研究主要致力于形成玻璃的氧化物液体的结构调查,但此次研究团队改变了方针,着眼于不会变成玻璃的液体。试着调查了其中之一的Er2O3的原子排列和电子状态。

但是Er2O3的熔点非常高,要高达2413摄氏度,变成液体的话会与容器发生反应等,很难做实验。因此,研究团队利用ISS的日本实验楼“希望号”里面的分析装置“静电悬浮炉”,通过静电使Er2O3悬浮,测量了其密度。另外,还利用SPring-8的高能X射线衍射测量装置,通过气体使样本悬浮,测量了其结构。

SPring-8的分析结果显示,Er2O3的液体与不会变成玻璃的其他液体相比,原子排列的规则性非常高,像晶体一样。另外,利用通过悬浮炉获得的密度数据和计算机模拟制作三维模型发现,原子的聚集体呈扭曲状态,这是不会变成玻璃的其他高温液体所没有的现象。此外,通过仿真和尖端数学进行解析发现,Er2O3的液态特征在拓扑学上与晶体相似。

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液态Er2O3的扭曲原子聚集体(图片由日本物质材料研究机构提供)

通过该成果取得的有关高温液体的发现,有助于查清玻璃的形成条件,以及了解高温液体岩浆形成矿物的过程,也就是地球的起源。除这些基础科学外,还有望为材料创新开辟道路,比如提高智能手机的屏幕盖板和镜头用玻璃以及耐热陶瓷的性能等。

日本物质材料研究机构先端材料解析研究基地的小原真司主任研究员(无机材料科学)表示:“这是结合使用地面上和太空中的高级设备取得的成果。可能是因为Er2O3的液体结构在拓扑学上与晶体相似,所以才不会变成玻璃的。今后需要进一步调查。”

研究团队的成员除JAXA和物质材料研究机构外,还有挪威科学技术大学、日本的琉球大学、京都大学、弘前大学、函馆工业高等专门学校、东北大学、AES、高亮度光科学研究中心和理化学研究所。相关研究成果已于6月2日发布在英国材料科学领域的专业期刊《NPG Asia Materials》上。

日语原文

文:JST Science Portal编辑部
中文:JST客观日本编辑部

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