Dari gedung pencakar langit yang menjulang tinggi hingga jam tangan kronograf yang kecil dan indah, kaca dapat dilihat di mana-mana dalam kehidupan.
Sebelum dua sesi Kongres Rakyat Nasional, Peng Shou, perwakilan Kongres Rakyat Nasional, akademisi Akademi Teknik Tiongkok, kepala insinyur Grup Bahan Bangunan Nasional Tiongkok, dan presiden Penelitian Bahan Baru Kaca Bahan Bangunan Nasional Tiongkok Institute, mengatakan dalam sebuah wawancara dengan wartawan bahwa kita harus dengan penuh semangat mempromosikan konservasi energi dan pengurangan karbon di industri kaca, sehingga industri kaca Tiongkok "menjadi ramah lingkungan".
Faktanya, kaca tidak hanya harus "menjadi hijau", tetapi juga diharapkan untuk "meremajakan" - seiring bertambahnya waktu servis, kaca akan menghasilkan fenomena penuaan, yang biasanya disertai dengan penurunan sifat fisik, mekanik dan lainnya. Cara "meremajakan" zat kaca yang menua dan mengembalikan sifat-sifatnya telah menarik lebih banyak perhatian komunitas ilmiah dalam beberapa tahun terakhir.
Pada akhir tahun 2022, tim Jiang Minqiang, seorang peneliti di Institut Mekanika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mengungkapkan mekanisme peremajaan baru untuk kaca logam yang sudah sangat tua melalui penelitian, dan memperdalam pemahaman tentang peremajaan struktur kaca. Hasil penelitian terkait dipublikasikan di National Natural Science Foundation of China, yang dikelola oleh National Natural Science Foundation of China. Fundamental Research, jurnal multidisiplin berbahasa Inggris yang disponsori oleh
Penuaan Kaca: Transisi Lambat dari Gangguan ke Keteraturan
Untuk membuat kaca "meremajakan", pertama-tama kita harus memahami bagaimana kaca "tumbuh".
Jiang Minqiang memperkenalkan bahwa dari sudut pandang mikroskopis, kaca adalah benda padat amorf dengan struktur tidak beraturan. Ia mencontohkan kepada wartawan: Pada benda padat kristal seperti baja, atom ibarat siswa yang duduk diam di ruang kelas, tersusun teratur dan memperlihatkan bentuk yang teratur. Dalam kaca, suatu benda padat amorf dengan struktur tidak beraturan, atom-atomnya seperti siswa sepulang sekolah, berlarian di kampus, dan susunannya tidak teratur.
Fenomena penuaan kaca pada hakikatnya adalah transformasi kaca dari keadaan tidak teratur pada awal pembentukannya menjadi keadaan teratur. “Secara umum, energi total materi dalam keadaan tidak teratur lebih tinggi, sedangkan dalam keadaan teratur, energi total materi lebih rendah. Seiring berjalannya waktu, kaca secara bertahap akan berubah dari keadaan energi tinggi ke energi rendah. menyatakan. Proses ini umumnya disebut penuaan kaca. "Jiang Minqiang menjelaskan bahwa jika waktu penuaan cukup lama, atau penuaan dipercepat dengan pemanasan, kaca bahkan dapat berubah menjadi kristal padat dengan struktur teratur.
Penuaan kaca akan mempengaruhi banyak sifat seperti ketangguhan, sifat optik, dan konduktivitas listrik kaca. Ini adalah fenomena yang ingin ditunda atau bahkan dihindari oleh banyak orang. Oleh karena itu, sebagai proses membalikkan penuaan kaca, peremajaan kaca telah lama mendapat perhatian luas dari para peneliti ilmiah.
“Peremajaan kaca adalah proses kebalikan dari penuaan kaca, yaitu kaca yang atom-atomnya menjadi relatif teratur setelah penuaan perlahan-lahan kembali ke keadaan atom yang relatif tidak teratur,” kata Jiang Minqiang. Pada penelitian sebelumnya tentang peremajaan kaca, peneliti menemukan bahwa kaca yang diremajakan akan melepaskan sebagian entalpi panas ketika dipanaskan sampai suhu tertentu, dan semakin tinggi derajat peremajaan kaca maka semakin besar pula entalpi panas yang dilepaskan selama pemanasan. banyak. Entalpi termal adalah parameter keadaan penting yang mengkarakterisasi energi suatu sistem material. Dalam istilah awam, entalpi adalah energi yang dilepaskan oleh kaca yang diremajakan selama proses pemanasan.
"Penelitian kami menunjukkan bahwa sudut pandang di atas tidak berlaku untuk kaca yang sangat tua. Seiring dengan meningkatnya tingkat peremajaan kaca yang sangat tua, pelepasan entalpi panasnya tidak berubah, atau bahkan tidak ada pelepasan entalpi panas sama sekali." Penelitian oleh tim Jiang Minqiang menunjukkan bahwa pandangan sebelumnya tentang mekanisme penuaan kaca tidak berlaku untuk kaca yang sangat tua, yang memperbarui pemahaman orang tentang mekanisme peremajaan struktur kaca.
"Penyisipan yang tidak disengaja": Hasil penelitian tidak terduga
“Sebenarnya terobosan dalam penelitian ini berasal dari upaya ‘tidak disengaja’ yang dilakukan tim peneliti kami.” Jiang Minqiang mengatakan bahwa tujuan awal percobaan ini hanya untuk menyiapkan sampel percobaan. "Tim kami awalnya menyiapkan sampel untuk eksperimen lain. Untuk memperkuat sifat ilmiah eksperimen tersebut, penting untuk menghilangkan riwayat termal sampel dan memastikan bahwa sampel tersebut memiliki struktur yang konsisten. Kami melakukan operasi anil suhu rendah pada sampel kaca - memanaskan kaca metalik secara perlahan hingga suhu tertentu dan dipertahankan selama waktu yang cukup, lalu didinginkan hingga suhu kamar dengan kecepatan tertentu. "Kemudian, tim peneliti meremajakan kaca yang sudah sangat tua melalui deformasi mekanis. Hasilnya tidak terduga - "Kami jelas memasukkan energi ke dalam kaca melalui kerja mekanis, jadi mengapa kacamata ini tidak melepaskan panas dan menjadi lebih muda?" Hal ini bertentangan dengan pandangan arus utama sebelumnya.
Hasil ini membuat tim peneliti bingung. Untuk memecahkan misteri tersebut, selain mengukur entalpi termal, tim peneliti juga mengukur kalor jenis suhu tinggi (450K-750K) dan suhu rendah (1,9K-100K) dari suatu bahan. sampel kaca, dan kemudian menyelidiki informasi getaran atom dan informasi struktur topologi kaca. Selama percobaan, tim peneliti menemukan bahwa meskipun parameter pelepasan entalpi sebelum transisi kaca tetap tidak berubah dalam beberapa kasus, perubahan entalpi efektif selama transisi kaca dan panas spesifik atom pada suhu rendah tercermin. getaran puncak Bose akan berubah,” Jiang Minqiang menjelaskan lebih lanjut, “Ini menunjukkan bahwa pelepasan entalpi termal bukanlah satu-satunya kuantitas fisik yang mencerminkan peremajaan kaca.”
Ketika berbicara tentang mengapa pelepasan entalpi panas tetap tidak berubah, Jiang Minqiang sekali lagi menjelaskan dengan contoh yang jelas: "Jika kita menempatkan bola kecil di ceruk bidang berbentuk 'cekung', bola kecil itu secara alami akan tetap diam. Jenis ini stabilitas Keadaannya seperti kaca yang sudah sangat tua. Dan jika kita memiringkan bidang berbentuk 'cekung' ini pada sudut tertentu, meskipun ketinggian cekung, yaitu, tingkat energi bahan kaca hampir tidak berubah, keadaan dari kaca tersebut hampir tidak berubah. kaca yang diwakili oleh bola kecil akan tetap sama. Kaca tersebut akan menjadi tidak stabil, dan fenomena peremajaan kaca akan terjadi."
Hasil penelitian menunjukkan bahwa, selain pandangan mainstream sebelumnya, peremajaan kaca dapat secara langsung tercermin pada pelepasan entalpi panas, yaitu peningkatan tingkat energi, atau dapat juga tercermin pada kemiringan permukaan energi, yaitu , melalui penataan ulang struktur lokal. Volume bebas didistribusikan kembali di ruang angkasa. “Ini adalah mekanisme baru untuk peremajaan material kaca yang sudah sangat tua yang kami temukan.” kata Jiang Minqiang.
Memperluas skenario: menyediakan ruang aplikasi yang luas
Studi ini juga menemukan bahwa ketika kaca memasuki kondisi aliran stabil, ketiga parameter fisik yang mencirikan peremajaan di atas masing-masing akan cenderung ke nilai saturasi, sehingga untuk pertama kalinya secara eksperimental menentukan bahwa batas atas peremajaan struktur kaca adalah kestabilan "beku". aliran negara. negara.
Jika kita analogikan air, maka kaca yang menjadi cair pada suhu tinggi ibarat air, sedangkan kaca yang membeku pada suhu rendah ibarat es. "Batas peremajaan struktur kaca adalah dengan membekukan cairan kaca bersuhu tinggi secara tiba-tiba melalui pendinginan yang sangat cepat, sehingga membentuk keadaan material yang mirip dengan 'air mengalir yang membeku'." Jiang Minqiang menjelaskan, "Dalam hal ini, kaca akan tampak dalam keadaan padat. Mempertahankan struktur material yang hampir sama dengan cairan, fluiditasnya akan mencapai batas pemahaman saat ini."
Mekanisme baru peremajaan zat kaca yang diungkapkan dalam penelitian ini tidak hanya memungkinkan kita untuk lebih memahami penyebab dan proses penuaan kaca dari sudut pandang fisik, namun juga memiliki ruang penerapan potensial yang sangat besar dalam mendorong peremajaan batch kaca tua. . “Tim peneliti saat ini sedang berkomunikasi dengan perusahaan yang bergerak di bidang produksi kaca atau penelitian dan pengembangan, mencoba menemukan titik kombinasi yang baik untuk mempromosikan teknologi tersebut ke pasar.”
Selain itu, Jiang Minqiang juga menemukan bahwa mekanisme baru yang diungkapkan dalam penelitian ini juga diharapkan dapat diterapkan dalam pembuatan bahan logam tingkat lanjut.
“Secara umum, kekuatan dan ketangguhan material logam tidak dapat kompatibel satu sama lain. Semakin meningkat kekuatannya maka ketangguhannya akan menurun, begitu pula sebaliknya.” Jiang Minqiang berkata, "Cara mengatasi hubungan terbalik yang melekat ini adalah dengan mempersiapkan Kekuatan dan ketangguhan material logam canggih yang harus dihadapi."
Bahan logam berkekuatan tinggi umumnya memiliki tingkat energi total yang sangat rendah pada tingkat mikroskopis. Jika energi dimasukkan melalui pemanasan dan metode lainnya, upaya untuk meningkatkan ketangguhan material logam dengan meningkatkan tingkat energi total seringkali memerlukan investasi energi yang sangat tinggi, yang hampir mustahil untuk dicapai.
“Jika kita dapat menggunakan mekanisme baru yang ditemukan dalam penelitian ini untuk menyesuaikan sudut permukaan energi bahan logam ketika tingkat energi totalnya rendah, kita dapat meningkatkan ketidakteraturan atom sambil mempertahankan kekuatan makroskopis yang sama, sehingga meningkatkan Ketangguhan logam. bahan. Melalui metode ini, kita dapat secara efektif menghindari masukan energi yang besar dan sangat mengurangi biaya persiapan bahan logam berkekuatan tinggi. "Jiang Minqiang mengatakan bahwa timnya saat ini sedang berusaha mencapai terobosan yang menentukan. Hal ini memberikan ide-ide baru untuk memecahkan kontradiksi lama yang tidak dapat didamaikan antara kekuatan dan ketangguhan bahan logam.