• 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 By 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

Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

Top17. 09. 2025

Da vores redaktør, Hanne Christine Bertram, stopper, søger vi en redaktør til et af Danmarks ældste fagtidsskrifter, Dansk Kemi. Dansk Kemi bringer aktuel og dybdegående information om kemien og dens udvikling inden for industri, forskning og uddannelse. Bladet er desuden medlemsblad for Kemisk

Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

BranchenytTop10. 09. 2025

Lige fra morgenstunden stod de første besøgende klar til at komme ind på LabDays messen, der i år afholdes i smilets by, Aarhus. Her kunne de finde oplagte udstillere, der gennem messens to dage står klar til at præsentere deres produkter, der inkluderer alt indenfor laboratorieverdenen. Der ud

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Lea K. Northcote1,2 og

Grøn kemi, affald og plast

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling26. 08. 2025

Grøn kemi – læren om hvordan kemi udføres bæredygtigt og sikkert – bliver kun vigtigere. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Christine Brænder Almstrup og Mikael Bols, Kemisk

Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

AktueltArtikler fra Dansk KemiBiokemiBioteknologiMedicinalkemi20. 08. 2025

Riboflavin er et essentielt vitamin, der spiller en nøglerolle for vores sundhed samt for at opretholde et sundt tarmmikrobiom. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Emmelie Joe

Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

AktueltArtikler fra Dansk KemiBiologi12. 08. 2025

Spredning af antibiotikaresistens kan ske via mineraloverflader. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Karina Krarup Svenninggaard Sand, associate professor, Globe Institute,

Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi04. 08. 2025

Et afsluttet ph.d.-projekt fra Institut for Fødevarer ved Aarhus Universitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Julie Frost Dahl*, Sandra Beyer Gregersen og Milena Corredig,

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi23. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi17. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi09. 06. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I år fejrer man internt i IUPAC 20-året for offentliggørelsen af The Red Book (i det følgende blot "RB2005") med anbefalinger vedrørende

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    OTTO Digital Services til systemer

  • DENIOS ApS

    Sådan får du op til 50 % mere lagerkapacitet

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage med viden, visioner og værdi

  • Holm & Halby

    LAF kabinetter: Er du rustet til den nye EN12469 / Annex 1

  • Drifton

    Mød Drifton og DACOS på LabDays 2025 i Aarhus

  • DENIOS ApS

    Hvordan håndterer du noget, du ikke kan se?

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Vægtbytte er blevet opdateret: Nu får du flere muligheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions fremviser avancerede produkter fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions på LabDays

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    LABORANTER CAND.ALT.

  • Kem-En-Tec Nordic

    Lad os fortsætte traditionen – vi ses på LabDays!

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    17.09.2025

  • Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

    10.09.2025

  • Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

    03.09.2025

  • Grøn kemi, affald og plast

    26.08.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    20.08.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    12.08.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    04.08.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

  • Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

    09.06.2025

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik