暴露高能量輻射 30天後恢復原狀 新型合成玻璃 可自我修復

編譯/韋士塔 |2024.09.14
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美國科學家研發的新型玻璃更耐用,適合在太空環境中使用。圖/美聯社
玻璃的應用範圍非常廣泛,例如光學設備。圖/新華社

編譯/韋士塔

科學家正嘗試合成一種玻璃,即使受到伽瑪輻射損壞,仍可以自行恢復原狀。研究團隊表示,希望能以這種新型材料為基礎,開發各種能在極端環境中使用的玻璃。

美國阿爾弗雷德大學稻盛和夫工程學院陶瓷工程助理教授姜明求(Myungkoo Kang,音譯)及研究團隊,把他們的研究結果發表於《材料研究學會公報》(Materials Research Society Bulletin)。

這篇主題為「Ge-Sb-S 硫族化物玻璃在伽馬射線照射下的自癒機制」的論文,概述硫系玻璃(chalcogenide glasses)的研究及其對伽馬射線照射的反應。研究人員發現,暴露在伽馬射線下造成的玻璃缺陷,在室溫環境下會隨著時間的推移而修復,不須任何外力干預,即可恢復結構完整的狀態。

姜明求表示,這個結果代表硫系玻璃的應用範圍相當廣泛,包括輻射感測器。在充滿伽瑪射線的外太空及放射性設施等極端環境中,這種新材質玻璃的應用潛力十分龐大。

姜明求正率領研究團隊調整硫、鍺及銻的比例,準備生產一種專用於衛星電路的玻璃。

參與這項研究的中佛羅里達大學的物理學家理查森(Kathleen Richardson)表示: 「與晶體(例如鍺)具有相似光學透明度的玻璃日益受重視;這些玻璃可以根據其成分與特性加以客製化,用於可能使用鍺的領域。」

研究團隊另一名成員、阿爾弗雷德大學的林奇(Patrick Lynch)指出,玻璃是相當特殊的材料,也是許多領域不可或缺的工具。

硫系玻璃含有硫族元素(硫、硒和碲)與鍺及砷等元素合金,將其製成光學玻璃材料可使用於光學元件。

包括紅外線 (IR) 光學、光纖、光子/光學元件、紅外線感測器、相變記憶體、夜視鏡、熱成像相機、非線性光學、光伏裝置、微電子與氣體感測器。

理查森指出,硫系玻璃的特殊之處在於可以排除氧氣,硫族化物材料是紅外線光學元件的理想材料,因為它們具有傳輸範圍寬、低折射率溫度係數 (dN/dT)、低色散等優點,且生產效率更高,能夠降低生產成本,減少鍺、硒化鋅等稀缺資源的消耗。

為了證實硫系玻璃的耐用性,研究團隊進行測試;由於大氣層的屏蔽,地球表面不會暴露於太空伽馬射線下,因此研究人員把樣品放置在有鈷60射線的裝置中。

隨後,研究人員把受損的玻璃放置在室溫環境,30天後玻璃已自行恢復原狀。

理查森表示,自癒玻璃的原理是,暴露於高能量輻射下時,其化學鍵(chemical bond)會扭曲或斷裂,但隨著時間的推移,室溫足以讓這些化學鍵自我重組,「這讓我們非常感興趣,這種玻璃未來或許能製造在極端環境下使用、更耐用的輻射感測器」。

理查森也認為,隨著對這些材料的持續研究,新型的玻璃將來可能會被應用於更多樣的創新領域。

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