光谱技术揭示纳米级玻璃表面损坏

光谱技术使对玻璃表面纳米级缺陷的研究得以进行。据一个国际研究小组称，这一过程可能导致电子显示器和汽车挡风玻璃等玻璃产品的改进，该团队旨在生产一种能够检测玻璃表面纳米级凹痕周围发生的结构变化的技术。这种方法将揭示决定玻璃强度的特性。宾夕法尼亚州立大学化学工程教授Seong Kim小组的主要关注点之一是研究玻璃表面，特别是在机械和化学性能方面玻璃表面的结构和耐用性。振动光谱学，也称为红外光谱，可用于在一定程度上检测表面缺陷。但是，如果玻璃表面产生的缺陷类型小于10µm，则无法使用该技术对缺陷进行正确分析或成像。拉曼光谱学在玻璃的研究和研究中经常受到青睐，它提供了更好的空间分辨率，但它不足以进行纳米尺度上的结构分析。

通过超光谱近场光学映射，红外光束可以揭示纳米级的缺陷和损害，这些削弱玻璃样品功能。Elizabeth Flores-Gomez Murray, Penn State MRI 供图。

在他们的研究中，Kim的团队使用康宁大猩猩玻璃（Corning Gorilla Glass），它在智能手机显示屏和最近挡风玻璃和飞机中受到青睐，因为它具有很高的耐用性。消费者触摸智能手机或飞行员正在查看的玻璃不像第一次离开制造工厂时那样坚固，原因是在纸张接触、卡车振动、包装和卸货过程中经常推挤造成的微小划痕和其它损坏。这些缺陷可能不可见，但它们足以削弱玻璃功能。为了研究这种尺度上的缺陷，Kim向工程科学和力学教授Slava Rotkin寻求帮助，他在工作中使用了超光谱近场光学制图的仪器技术。该方法采用近场散射扫描光学显微镜，同时提供光学光谱分辨率和高空间分辨率。

Kim 的团队用一种微型仪器的尖端在玻璃表面刻凹痕，他们制造了几百纳米深、一两微米宽的纳米级凹痕。通过使用 Rotkin 的仪器技术，该团队能够可视化凹痕对玻璃的影响。研究小组指出，不完美小到可以影响研究的数据。例如，火星上的照相机可以测量火星表面的光谱特性，玻璃上的划痕可能会影响光学特性，进而影响准确探测所需的机械和化学特性。Kim 说："通过使用这种技术了解多组件玻璃材料的纳米表面损坏，我们可以显著提高我们对玻璃科学的基本认识。" NSF支赞助了这项研究，该研究发表在《Acta Materialia》(www.doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116694).