• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Artikler fra Dansk KemiBiokemi20. 02. 2024 | Heidi Thode

Gennemsigtige glaskeramiske materialer

Artikler fra Dansk KemiBiokemi20. 02. 2024 | Heidi Thode

Glaskeramiske materialer anvendes i blandt andet kogeplader, men de kan også gøres gennemsigtige som et glas, og har meget bedre brudmodstand.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1/2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Morten M. Smedskjær, Institut for Kemi og Biovidenskab, Aalborg Universitet

En dag for omkring 70 år siden opdagede forskeren Donald Stookey fra firmaet Corning et nyt materiale, i hvad der ellers var et mislykket eksperiment [1]. Han var ved at varmebehandle en glasplade, men temperaturstyringen sad fast i “tænd”-positionen. I stedet for at forblive ved 600°C steg ovntemperaturen til 900°C. Stookey forventede at finde en smeltet pøl af glas, men til sin overraskelse fandt han i stedet en ikke-deformeret, uigennemsigtig fast plade. Han greb en tang, trak pladen ud af den varme ovn, men den gled ud af tangen og faldt ned på betongulvet, klang som stål og forblev ubrudt. Det skulle vise sig, at han havde omdannet glasmaterialet til et delvist krystalliseret glas, en såkaldt glaskeramik, med overlegne mekaniske egenskaber i forhold til den oprindelige glas.

Kombinerer egenskaber af glas og krystal
Glasmaterialer er kendetegnet ved, at atomerne ikke sidder i et velordnet gitter modsat tilfældet i krystaller. Glaskeramiske materialer fremstilles ved en kontrolleret delvis krystallisering af glas under opvarmning. Materialet indeholder mindst én krystallinsk fase og en resterende glasfase [2]. Et eksempel på mikrostrukturen af en glaskeramik er vist i figur 1.
En velkendt anvendelse fra dagligdagen er glaskeramiske kogeplader. I denne anvendelse er en lav termisk udvidelseskoefficient (såkaldt CTE) afgørende for at undgå brud, når materialet udsættes for store temperaturforskelle over få centimeter og for termisk chok, der kan opstå ved for eksempel at spilde koldt vand på en varm kogeplade [3]. Alle almindelige glasmaterialer har en positiv CTE, dvs. at de udvider sig med stigende temperatur, men visse krystaller kan trække sig sammen, når temperaturen stiger. Ved at designe og styre sammensætningen af glaskeramikken, kan den positive CTE af glasfasen kompenseres af den negative CTE af krystalfasen, således en samlet CTE meget tæt på nul kan opnås.

Gennemsigtighed
Mange anvendelser af traditionelle glasmaterialer bunder i deres transparens for det synlige lys. I de fleste tilfælde mistes denne egenskab i glaskeramiker. Når krystalstørrelsen øges, falder gennemsigtigheden på grund af lysspredning, og til sidst bliver materialet helt ugennemsigtigt ved en større krystalstørrelse (i mikrometer til millimeter området). Glaskeramiske materialer kan dog være transparente for synligt lys, hvis en af de følgende betingelser er opfyldt:
(1) krystallerne er meget mindre end bølgelængden af synligt lys, typisk mindre end 50-100 nanometer; eller (2) både den optiske anisotropi (dobbeltbrydning) inden for krystallerne og forskellen i brydningsindeks mellem krystaller og glas er meget små [4]. Dermed er der potentiale for at lave glaskeramiske materialer, der bevarer gennemsigtigheden fra glas, men som alligevel har fordelagtige egenskaber fra krystallerne.

Jagten på høj styrke og brudsejhed
Jagten på mere ridsefaste og brudsikre materialer driver i høj grad udviklingen af glaskeramiske materialer. Høj styrke og brudsejhed er afgørende mekaniske egenskaber for en række anvendelser, blandt andet medicinske, konstruktionsmæssige og forbrugerelektroniske [5]. De mekaniske egenskaber af en glaskeramik afhænger i høj grad af både kemisk sammensætning og mikrostruktur, hvoraf sidstnævnte blandt andet kontrolleres gennem optimering af protokollen for varmebehandling. Tilbage i år 2020 annoncerede Apple, at den nye iPhone 12 ikke ville have et glasmateriale som det yderste beskyttelseslag ligesom tidligere modeller, men derimod en gennemsigtig glaskeramik (såkaldt Ceramic Shield, produceret af Corning). Men hvorfor har glaskeramiske materialer bedre mekaniske egenskaber end de oprindelige glasmaterialer?
For det første er en optimeret mikrostruktur nødvendig for at opnå gode mekaniske egenskaber. Glaskeramik med en finkornet struktur har generelt lavere styrke og brudsejhed end dem med store, aflange og indbyrdes forbundne krystalkorn. En høj fraktion af den krystallinske fase med tværforbundne krystalaggregater muliggør hærdningsmekanismer såsom revne-afledning, revne-brodannelse og faseomdannelse. Aktivering af en eller flere af disse hærdningsmekanismer er afgørende for at muliggøre en markant forbedring af styrke og brudsejhed [6]. For eksempel har forskere for nylig fremstillet en stærk, gennemsigtig lithiumdisilikat/apatit glaskeramik med en brudsejhed på 2,0 MPa m1/2, hvilket er over dobbelt så meget som værdien for konventionelt vinduesglas (0,75 MPa m1/2). Kombinationen af høj brudsejhed og høj gennemsigtighed kunne tilskrives en mikrostruktur primært bestående af den anisotrope lithiumdisilikat krystalfase, der gav anledning til revne-afledning [7].
I vores forskningsgruppe på Aalborg Universitet arbejder vi også på at udvikle gennemsigtige glaskeramiske materialer med gode mekaniske egenskaber. Vi har for eksempel vist, at dannelse af fresnoit-krystaller (Ba2TiSi2O8) i en barium-titano-silikat-glas øger stivheden og brudsejheden markant, når størrelsen af krystallerne stiger [8]. Dette reducerer dog samtidig gennemsigtigheden og øger risikoen for at danne nye revner. Interessant er det altså, at selvom brudsejheden stiger, dvs. modstanden mod udbredelsen af en eksisterende revne, så falder modstanden mod at danne nye revner. Dette skyldes, at krystallerne i sammenligning med glasset er hårdere og mere tilbøjelige til at generere restspændinger under en trykpåvirkning, hvilket kan føre til ny revnedannelse.
I et andet studie har vi adresseret dette og opnået en forbedring af både modstand mod revneudbredelse (brudsejhed) og revnedannelse, samtidig med en delvis bevaring af gennemsigtigheden. Specifikt er det lykkedes i et niobium-dopet barium-alumino-borat glaskeramisk materiale [9]. Vi kunne i dette studie vise, at egenskaberne af glasfasen er afgørende for det samlede materiales egenskaber. Vi designede glasset på en sådan måde, at koordinationstallene af bor og aluminium falder under krystalliseringen (varmebehandlingen), fordi vi ved fra tidligere forskning, at dette kan føre til energispredning under mekanisk påvirkning og dermed øge revnemodstanden [10]. Desuden hjælper den dannende piezoelektriske krystalfase BaNb2O6 med at forbedre både revnemodstand ved at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi og brudsejhed ved at skabe revne-afledning (figur 2).

Konklusion
Disse studier viser, at en grundlæggende forståelse af deformationsmekanismer på mikro- og nanoskala er afgørende for at kunne designe stærke, brudseje og gennemsigtige glaskeramiske materialer i fremtiden. Vores forskning viser også, at det kun er muligt at opnå markant forbedret brudsejhed, hvis krystalfasen er tilstrækkelig stor (>100 nanometer).
Dette betyder, at det er afgørende at opnå en meget lille forskel i brydningsindeks mellem krystal og glasfase, hvis gennemsigtigheden skal bevares. Udfordringen er her, at krystalfase og glasfase typisk ikke har den samme kemiske sammensætning, så krystalliseringen ændrer også sammensætningen og dermed egenskaberne af den tilbageværende glasfase, efterhånden som krystallerne vokser. På trods af den kommercielle succes disse materialer allerede har haft, er der altså stadig store muligheder for at forbedre og udnytte den unikke kombination af egenskaber, der er mulige for glaskeramiske materialer.

E-mail:
Morten M. Smedskjær: mos@bio.aau.dk

Referencer
1. G.H. Beall, “Dr. S. Donald (Don) Stookey (1915-2014): Pioneering Researcher and Adventurer,” Front. Mater. 3, 37 (2016).
2. J. Deubener, et al., “Updated definition of glass-ceramics,” J. Non-Cryst. Solids 501, 3-10 (2018).
3. W. Pannhorst, “Glass ceramics: State-of-the-art,” J. Non-Cryst. Solids 219, 198-204 (1997).
4. G.H. Beall, D.A. Duke, “Transparent Glass-Ceramics,” J. Mater. Sci. 4, 340-352 (1969).
5. M.J. Davis, E.D. Zanotto, “Glass-ceramics and realization of the unobtainable: Property combinations that push the envelope,” MRS Bull. 42, 195-199 (2017).
6. Q. Fu, G.H. Beall, C.M. Smith, “Nature-inspired design of strong, tough glass-ceramics,” MRS Bull. 42, 220-225 (2017).
7. Q. Fu, et al., “Tough, Bioinspired Transparent Glass-Ceramics,” Adv. Eng. Mater. 24, 2200350 (2022).
8. D. Sun, Q. Zhang, P. Liu, L.R. Jensen, D. Wang, M.M. Smedskjaer, ”Balancing fracture toughness and transparency in barium titanosilicate glass-ceramics,” Ceram. Int. 49, 17479-17487 (2023).
9. Q. Zhang, et al., “High damage-resistance and fracture toughness of transparent Nb-doped barium aluminoborate glass ceramics,” Appl. Mater. Today 34, 101888 (2023).
10. K. Januchta, et al., “Discovery of Ultra-Crack-Resistant Oxide Glasses with Adaptive Networks,” Chem. Mater. 29, 5865-5876 (2017).

Skrevet i: Artikler fra Dansk Kemi, Biokemi

Seneste nyt fra redaktionen

Grundstoffer med kant

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

Thomas Just Sørensen: Universets byggeklodser. 283 sider. Boganmeldelsen er bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Anmeldt af Søren Kiil, professor, DTU Kemiteknik Det periodiske system er kemiens

Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Ny viden og avanceret testning skal sikre mere holdbare og bæredygtige beskyttelsessystemer til fremtidens infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ziyou Li, Joshua

Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi07. 10. 2026

Tekstureret vegetabilsk protein bruges til at fremstille plantebaserede kødanaloger. pH og ionstyrke påvirker proteiners konformation og interaktion med vandmolekyler, så vi satte os for at undersøge, hvordan pH og ionstyrke påvirker rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein. Artiklen har

Hvad skal kalken bruges til?

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Fra en brønd på en jysk mark til borekerner i kælderen under Aarhus Universitet: 55 millioner år gammel vulkansk aske kan måske hjælpe med at gøre CO₂ til sten. Samtidig forsøger dansk industri at vende kalkens gamle kulstofkredsløb på hovedet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og

Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi07. 10. 2026

Ved at udnytte at reaktionen mellem formaldehyd og d-Biotin (et vitamin, og et naturligt forekommende N,N'-dialkylurinstof) er reversibel, kan oligomeriseringsreaktionen guides ved at tilsætte en templat. I dette bidrag forklarer jeg, hvordan dette er blevet udnyttet til at syntetisere makrocykler,

“I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

I dybden med kemi af Lone Brun Jakobsen og Klædt på til skriftlig kemi af Lone Brun Jakobsen m.fl. Begge udgivelser på Nucleus Forlag ApS, 2026, 1. udgave, 1. oplag. Boganmeldelsen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder (læs

Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Hvordan kan nogle af jordskorpens mest almindelige metaller omdanne lys til kemisk energi, og hvilke udfordringer skal løses, før de kan erstatte ruthenium og iridium i fremtidens lysdrevne teknologier? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Kvantekemi gav os evnen til at forstå kemiske processer på atomart niveau. AI gør det nu muligt at anvende denne forståelse på realistiske og komplekse systemer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Fra elastik til batteri

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Princippet bag en almindelig elastik kan måske hjælpe med at løse en af den grønne omstillings største udfordringer: Lagring af energi. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Agnete

Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

BranchenytTop06. 10. 2026

Professor Søren Kegnæs vil sætte fokus på blandt andet digitalisering, innovation og trivsel i sin nye rolle som institutdirektør på DTU Kemi. DTU har udpeget professor og nuværende viceinstitutdirektør Søren Kegnæs til ny institutdirektør på DTU Kemi med tiltrædelse 1. november 2026.Søren

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Mikrolab – Frisenette overtager aktiviteterne i MD Scientific

  • DENIOS ApS

    Vil du opvarme dine materialer effektivt?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Reduktion af energiomkostninger og forlængelse af vakuumpumpens levetid i fødevarepakning

  • Holm & Halby

    VidensDag’26 hos Holm & Halby

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Tilbud på GreenTips pipettespidser fra nerbe plus

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Forudkonfigurerede R&D-pakker fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions til forenklet opsætning af undersøgelser

  • DENIOS ApS

    Hvilke risici skal du være opmærksom på ved tekniske gasser?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    De 10 mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper, og hvordan man undgår dem.

  • Holm & Halby

    Haier Biomedical går ind på markedet for rysteinkubatorer

  • Holm & Halby

    Ny generation af -86 °C frysere halverer næsten energiforbruget

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Grundstoffer med kant

    07.10.2026

  • Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

    07.10.2026

  • Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

    07.10.2026

  • Hvad skal kalken bruges til?

    07.10.2026

  • Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

    07.10.2026

  • “I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

    07.10.2026

  • Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

    07.10.2026

  • Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

    07.10.2026

  • Fra elastik til batteri

    07.10.2026

  • Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

    06.10.2026

  • 30 års overvågning viser, at antibiotikaresistens kan presses tilbage

    05.10.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    29.09.2026

  • Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

    29.09.2026

  • Hydrogensulfid og biokul

    22.09.2026

  • Fremtidens cement er levende

    22.09.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}