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科学家实现在熔融状态下精准改写玻璃化学特性
发布日期:2026-09-20 06:34:13  稿源:Win10s.COM

在材料科学领域,玻璃因其独特的无序原子结构与广泛的日常及工业应用而备受关注,但极端高温处理过程中的不可控性长期限制着新型功能玻璃的开发。来自英国伯明翰大学(University of Birmingham)与德国多特蒙德工业大学(TU Dortmund University)的国际联合科研团队取得突破性进展,研究人员巧妙借鉴了数千年来传统硅酸盐玻璃制造中的古老化学策略,成功实现在金属有机骨架(MOF)玻璃融化过程中对其内部原子结构进行精准重构与化学调控,赋予了该类前沿材料全新的物理性能与加工优势。

作为一种将金属离子与有机配体深度结合的新型无机-有机杂化材料,MOF 玻璃(如 ZIF-62)具有独特的微孔结构,在二氧化碳捕集、氢气存储、海水淡化以及高级膜分离等领域展现出巨大的应用潜力。然而,传统的 MOF 玻璃往往需要加热至 300°C 以上的高温方能软化熔融,这一温度已极其接近材料本身的热分解极限,不仅极大增加了大规模工业化加工与成型的难度,也极易破坏其关键的孔隙结构。

为了突破这一加工瓶颈,科研团队将目光投向了古老的玻璃改性技术。在传统玻璃工业中,工人通常会向硅砂中添加少量钠或锂等碱金属化合物来降低熔点与粘度。研究人员将这一逻辑迁移至 MOF 玻璃领域,通过在 ZIF-62 的熔融过程中引入微量的钠或锂化合物,成功实现了对材料内部原子连接网络的高效干预。

为了在原子尺度上揭示这一化学改性过程,研究团队利用英国国家高场固态核磁共振(NMR)设施开展了高温固态核磁共振光谱实验,并结合基于人工智能的机器学习计算建模,实时观测到了添加剂与玻璃网络的相互作用。数据表明,加入的钠离子不仅充填于材料内部的微孔空隙中,更直接替代了部分锌原子,局部解离并重构了原本紧密的晶格网络。这种微观结构的重组使得材料的软化温度显著降低,并大幅提升了其熔融状态下的流动性,同时最大程度地保留了材料原有的气孔特征。

业内专家指出,该研究成功证明了传统硅酸盐玻璃的改性原理完全适用于现代复杂的金属有机杂化材料。通过在熔融状态下精准改写 MOF 玻璃的化学与原子结构,科研人员不仅降低了该类高性能材料的制造能耗与工艺门槛,更为未来开发具备特定气体吸附、催化及高选择性分离功能的新型下一代工程玻璃开辟了广阔的科学路径。

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