國際研究小組稱，通過光譜技術首次揭示了納米級磨損和損傷導致的硅玻璃的亞表面結構變化，這有望改進電子顯示屏和汽車擋風玻璃等玻璃產品。
Seong Kim說，我小組的主要研究領域之一是玻璃表面科學，主要研究玻璃的性能、結構和機械和化學性能之間的關系，特別是機械耐久性和化學耐久性。他是賓夕法尼亞州立大學杰出化學工程教授，《材料學報》(“Subsurface structural change of silica upon nanoscale physical contact: Chemical plasticity beyond topographic elasticity”)研究的共同主要作者。我們一直使用的技術之一是振動光譜學。但對玻璃表面進行納米級結構分析的挑戰是，人們廣泛使用的許多光譜學技術在這里都不起作用。
通過高光譜近場光學映射，紅外光束可以顯示出削弱玻璃樣品的納米級缺陷和損傷。(圖片:Elizabeth Flores-Gomez Murray，賓夕法尼亞州立大學)
紅外光譜只能在一定程度上檢測表面缺陷。如果在玻璃表面產生的這種缺陷小于10微米，低于紅外光譜的10微米波長，則無法進行正確的分析或成像。拉曼光譜等用于玻璃研究領域的分析技術在空間分辨率方面工作得更好，但仍不足以用于納米級結構分析。
Kim的團隊想要制造一種技術，來發現玻璃表面納米級凹痕發生的結構變化。作為研究的一部分，他們用一個微小的尖端在玻璃表面壓痕，可以制造幾百納米深、一到兩微米寬的納米凹痕。發現即使是在微小的損傷水平下結構的變化是很重要的，因為這些無窮小的缺陷會影響玻璃的強度。
康寧公司(Corning)生產的大猩猩玻璃(Gorilla Glass)就是一個例子，它主要用于手機等電子產品的顯示玻璃，最近還用于汽車和飛機的擋風玻璃。這種玻璃在離開工廠時非常堅固，但當它到達制造商時，玻璃就變弱了。這是由于在運輸過程中，紙張的接觸、卡車的振動、包裝物的放置以及卸貨過程中經常性的碰撞等物理接觸造成的微小劃痕和其他損壞。缺陷可能不明顯，但它們足以削弱玻璃性能。
此外，玻璃也會被腐蝕。這種腐蝕不同于金屬腐蝕。在玻璃腐蝕中，玻璃表面失去了部分組成元素，玻璃的化學性質發生變化，也會使玻璃變弱。
那么，如何描述這種無形的結構損傷呢?Kim說，這是玻璃科學的一個非常重要的領域，因為理論上，玻璃應該和鋼一樣堅固。但玻璃的強度不如鋼，主要原因之一是表面缺陷。
當Kim的團隊在玻璃上留下超微小的凹痕時，他們想看看由于玻璃的損壞，凹痕內部和周圍會發生什么樣的結構變化。
因此，由于凹痕的最大尺寸只有幾微米，我們需要高空間分辨率的紅外光譜技術來表征這一點，Kim說。
為了克服這一挑戰并“看到”玻璃的損傷，Kim聯系了他的同事Slava V. Rotkin，他是賓夕法尼亞州立大學工程科學和力學的前沿教授，他使用了一種新的儀器技術，稱為“高光譜近場光學測繪”。該技術提供了光學光譜分辨率和高空間分辨率，并使用了德國納米成像和光譜儀器公司Neaspec gmh制造的散射掃描近場光學顯微鏡。
直到最近，像Seong這樣的研究要么是間接的，因為你不能真正對發生在納米尺度上的微小事物進行成像，要么它們將接觸到原子或分子等物理物質，而不是光學特性，Rotkin說，所以，我們的儀器非常獨特，因為它可以讓你在非常小的尺度上進行光學研究，這在過去是不可能的。
玻璃主要是氧化硅，原則上與手表中的沙子或水晶石英相同，但存在明顯的差異：缺陷的程度。沙子就像一種有著許多表面缺陷的石頭，水晶石英是一種完美的水晶，而玻璃則介于兩者之間。這使得在納米尺度上很難“看到”玻璃，因為有太多的不均勻性。但是，高光譜近場光學測繪技術使研究人員能夠聚焦并觀察劃痕對玻璃的影響，甚至超越了地形損傷。
這就像從上面俯瞰一片大森林，有很多很多的樹木、灌木叢、蘑菇、花朵等等，你不知道到底該看什么，Rotkin說，學生在玻璃上留下了劃痕，然后你看到這些劃痕，很有趣，而且很顯眼，就像如果你在森林里砍伐樹木，開辟出一片空地，就會很顯眼。當你清除樹木的時候，它可能會把灌木推到地上，由于某些損傷，它會以某種方式改變樹葉的顏色。也許你用的觀測儀器看不到這些，但用我們的儀器，你就能看到單個灌木，不僅如此，還能看到葉子變紅了。
這是玻璃科學的重要一步。我們發表的論文原則上為了解這些玻璃不均勻性是如何發生的，以及其背后的物理原理提供了新的途徑，Rotkin說，我們看到有機械變化，劃痕正在產生物理變化，化學變化和光學性能的變化。這非常有趣。
理解這一點很重要，因為精度對許多類型的設備都很重要。火星探測器上的照相機可以測量火星表面的光譜特性，但玻璃上的劃痕不僅會影響光學特性，還會影響機械和化學特性，這對真正精確的測量很重要。此外，手機攝像頭玻璃上的納米劃痕不僅會改變透明度，還會改變顏色編碼，導致照片質量較低。
Kim說，這項研究更多的是了解玻璃發生了什么，這是我們以前從未做過，沒有了解過的，一個過程或產品可以通過試驗和錯誤來改進。但更好的方法是基于知識的開發或處理。所以，如果我們不能理解物理接觸造成了什么樣的缺陷，我們如何使玻璃表面更好，更完美，更耐用，無論是機械上還是化學上。
有了這些信息，Kim相信玻璃科學很有可能取得新的進展。
通過了解使用這種技術的多組分玻璃材料的納米表面損傷，我們可以顯著提高我們對玻璃科學的基本理解，Kim說。
