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揭開沙粒轉換成玻璃的面紗

credit: CC by quas@flickr

早在古埃及時代,人們已知道玻璃的製造技術。然而從沙粒高溫加熱至攝氏超過 1 千度而形成玻璃的原理,至今仍是一個謎。法國國家科學研究中心(CNRS)的玻璃表面暨界面實驗室(Laboratoire Surface du verre et interface)首度應用 X 光斷層攝影,以 3D 視覺化的方式即時將玻璃的製程視覺化。這項實驗在歐洲同步輻射中心(ESRF)內完成,讓我們更加了解不同的原料之間如何相互作用,最終轉變成玻璃。這項研究已發表在《美國陶瓷學會》期刊(The Journal of the American Ceramic Society)的網站上,其目標之一是利用比目前業界使用的更低的溫度來製造高品質的玻璃。

研究人員分析了一種近似製造玻璃窗的混合材質,這種材質由三分之二的矽砂、三分之ㄧ的碳酸鈉及碳酸鈣所組成。該混合物必須持續幾天在工業熔爐中加熱到 1500 度,以便去除氣泡與結晶。這個程序會耗費許多能源,因此業界的挑戰之一便是如何以低溫製造出品質良好的玻璃。為此,研究人員必須要了解原料轉換的不同步驟、各化學反應之間的關係、原始混合物的微結構。

研究員利用 X 光斷層攝影,首次觀察到轉換反應的過程。位於格勒諾博市(Grenbole)歐洲同步輻射中心的強大 ID15a 射線在轉換反應過程中,每 15 秒可以取得一次空間解析度達 1.6 微米的 3D 影像,讓研究員得以觀察分子的接觸方式以及砂粒轉換成液態玻璃的過程。

這些獨特的影像顯示不同顆粒相互接觸的重要性,因為這些顆粒決定了液態玻璃的形成與否。舉例來說,特定的接觸可以讓碳酸鈣融入高活性液體中,或是導致結晶缺陷。研究人員同時也十分訝異地觀察到固態碳酸納仍具有高度的活性:它在溶解前的活躍運動能促進不同顆粒之間的接觸,有助於引發化學反應。

目前研究人員想根據顆粒的大小或較高的溫度來進行新的研究。長期來說,這些基礎研究能協助降低玻璃形成初期出現缺陷的次數,並找出更快速、更節省能源的製造過程。研究員也希望能研發影像與數據處理方法,讓產學界得以用影像技術來觀察玻璃或不同材料製造過程中的顆粒混合物轉化過程。

作者:駐法國代表處科技組
資料來源:Première visualisation de la transformation du sable en verre—法國國家科學研究中心 CNRS [2012-04-16]

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-08-17]

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