预测新类别眼镜的属性

英国宾夕法尼亚州立大学和剑桥大学的研究人员表示，ZIF玻璃是一种新型玻璃系列，它可以将硅酸盐玻璃的透明度与非脆性的金属玻璃相结合。

“我们确信透明度，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授John Mauro说。“我们必须等到更大的样品才能知道它是否具有金属玻璃的惊人延展性，但看起来很有希望。”

最新一类的玻璃形成材料，即沸石咪唑酯骨架(ZIF)，具有金属离子通过有机配体连接的结构。当在有限的高温范围内加热时，一些ZIF材料将熔化并重新形成玻璃状结构，其中原子具有无序结构。除了透明且更易弯曲的玻璃的潜力之外，一些ZIF包含大量可用于储存气体的功能性孔 - 金属 - 有机骨架已被提议作为用于燃料电池车辆的氢储存的笼子，催化，气体分离甚至药物输送。

“ZIF是如此新颖，以至于人们只是在发现哪种化学物质会形成眼镜，”Mauro说。“我们小组的目标是通过建模加速这些新眼镜的设计。”

在最近的两篇期刊文章中，Mauro及其同事使用不同的建模方法来加深对ZIF玻璃的理解和预测。第一种建模方法ReaxFF由宾夕法尼亚州立大学机械工程教授Adri van Duin开发，他是两篇论文的共同作者。ReaxFF是一种计算快速且经济的方法，用于模拟候选材料的熔化和重整。

“模拟这些系统很困难，因为这些模型通常是为有机系统或无机系统开发的，但不是两者都有，”Mauro的博士后学者和两篇论文的第一作者Yongjian Yang说。“另外，与ReaxFF不同，其他型号不允许在玻璃成型中发生粘合破坏和重整。”

Yang补充说，使用ReaxFF将模拟执行所需的时间缩短到几个小时，而不是使用量子力学方法花费的几天。

在最近发表在Journal of Physical Chemistry Letters上的论文中，研究人员使用了另一种最初为另一类称为硫属化物玻璃的眼镜开发的建模方法。

“詹姆斯菲利普斯提出，我们可以像考虑在桥梁或埃菲尔铁塔中设计桁架结构一样考虑眼镜，”毛罗说。

菲利普斯当时在贝尔实验室工作，现在在罗格斯大学，提出了一种基于原子自由度与其他原子的刚性键数相比优化玻璃的方法。当粘合剂等于自由度 - 向上，向下或侧向移动的能力 - 系统通常处于形成稳定玻璃的最佳状态。

来自康宁公司的Mauro和俄亥俄州立大学的Prabhat Gupta将该理论扩展到开发所谓的温度相关约束理论，该理论解释了高温下的键断裂，并且还扩展了理论以对玻璃特性进行定量预测。 。

“因为我们的理论是基于债券和原子的计数，所以它可以用铅笔和纸来解决，”毛罗说。“我们可以准确预测玻璃硬度，弹性模量，粘度和玻璃化转变温度等特性。”

尽管他们的理论在2008年制定，已经成功应用于许多氧化物玻璃系统并用于工业玻璃组合物的配方，但这是第一次将其应用于ZIF金属 - 有机玻璃系统。

剑桥大学的Thomas Bennett领导了这项工作的实验部分，包括ZIF样品的合成，目前这些样品的尺寸仅为几毫米。

“还有很多挑战需要解决，”毛罗说。“我们希望使用这些建模方法来预测我们可以用来提升工业规模然后商业化的玻璃。拥有光学透明和机械延展性的玻璃不是很好吗?”

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