Atombevegelser kan bidra til mer slagfast glass

Glass som tåler større belastninger, kan forbedre sikkerheten i elektronikk, bygg og transport. Forskere ledet av Tohoku-universitetet har undersøkt hvordan atombevegelser avlaster spenninger i glass. Studien presenterer grunnleggende kunnskap som kan bidra til mer slagfast glass, ikke et ferdig produkt som aldri knuser.

Hvordan glass knuser

Når glass utsettes for en ytre kraft, oppstår det spenninger i materialet. Dersom glasset ikke tåler belastningen, kan sprekker vokse og føre til brudd. Slagstyrke, overflatefeil, kanter og innfesting påvirker risikoen. Skarpe glasskår kan gi alvorlige skader.

Termiske spenninger

Ujevn oppvarming eller avkjøling kan skape spenninger fordi ulike deler av glasset utvider seg forskjellig. Motstanden mot temperaturendringer avhenger av glasstype, tykkelse og utforming.

Dette kan blant annet skje når bare deler av en rute utsettes for sterk varme. Brudd som følge av termisk sjokk må skilles fra at glass mykner ved svært høy temperatur.

Bøying og vridning

Bygninger beveger seg under påvirkning av vind, temperaturendringer og jordskjelv. Glass og rammer må derfor dimensjoneres og monteres for forventede bevegelser og laster. Feil innfesting kan skape spenninger som fører til brudd.

Produksjon og indre feil

Sammensetning, produksjon og varmebehandling påvirker glassets egenskaper. Indre feil og ujevne restspenninger kan øke bruddrisikoen under bestemte forhold.

Dette betyr ikke at herdet eller laminert glass generelt er mer utsatt for feil enn vanlig glass. Hvert produkt krever riktig kvalitetskontroll og testing.

Ulike glasstyper knuser forskjellig

Glass fremstilles for mange ulike miljøer og sikkerhetskrav. Materialvalg og behandling påvirker både styrke og hvordan glasset oppfører seg ved brudd.

Avspenningsglødet glass

Avspenningsglødet glass kjøles kontrollert etter produksjonen for å redusere restspenninger. Ved brudd kan det danne store, skarpe skår. Bruksområder med stor risiko for slag eller personskade kan derfor kreve andre sikkerhetsløsninger.

Herdet glass

Herding handler om å skape trykkspenninger ved overflaten gjennom termisk eller kjemisk behandling, ikke bare om en spesiell blanding av råstoffer. Termisk herdet sikkerhetsglass knuser vanligvis i mindre biter enn vanlig glass, men kan fortsatt forårsake skader.

Laminert glass

Laminert glass består av to eller flere glasslag med et mellomlag som binder dem sammen. Mellomlaget kan holde på skårene etter et brudd og redusere spredningen. Lagene trenger ikke alltid å være herdet, og laminering gjør ikke glasset uknuselig.

Bedre forståelse av bevegelsene i glass

Forskere har lenge studert glassets styrke og bruddmekanismer på atom- og molekylnivå. Denne studiens bidrag er en nærmere undersøkelse av bestemte kollektive bevegelser som kan avlaste indre spenninger.

Forskerne ville forstå hvordan svært små bevegelser bidrar til spenningsrelaksasjon. Det krevde målinger med høy følsomhet for korte tidsrom og små forflytninger.

Grunnforskning om mer slagfast glass

Forskningsartikkelen¹ble publisert i Acta Materialiaog undersøker atombevegelser knyttet til Johari–Goldstein-prosessen (JG) i et modellglass. JG-relaksasjon er forbundet med lokale bevegelser i glassaktige materialer, ikke bare med smelting.

Forskerne kombinerte synkrotronmålinger med molekyldynamiske beregninger. De undersøkte hvordan både enkelte atomers hopp og små kollektive bevegelser hos naboatomene bidrar til spenningsrelaksasjon.

Kilde: Makina Saito

Kollektive bevegelser hos atomene rundt et hopp kan fylle det lille rommet som oppstår. Studien gjaldt modell-ioneglasset Ca0.4K0.6(NO3)1.4, ikke en sertifisering av støtmotstanden til ferdige vindusruter.

Modellering av atombevegelser

Molekyldynamiske beregninger hjalp forskerne med å tolke målingene og knytte atombevegelser til endringer i spenning over tid. Modellresultater må vurderes mot eksperimenter og kan ikke uten videre overføres til alle glasstyper og belastninger.

Måling av små bevegelser

Forskerne brukte synkrotronstråling ved SPring-8 til å studere struktur og bevegelser. De målte forflytninger på omtrent 0,1–0,2 nanometer over tidsrom fra nanosekunder til mikrosekunder og sammenholdt dem med spenningsrelaksasjonen.

Molekyldynamiske simuleringer

Molekyldynamikk beregner hvordan atomer beveger seg under påvirkning av krefter. Her bidro metoden til å forklare kollektive bevegelser som var vanskelige å tolke ut fra målingene alene. Den erstatter ikke all eksperimentell prøving.

Resultater

Studien viser hvordan hoppbevegelser og kollektive bevegelser omkring dem kan gjentas og avlaste en del av spenningen. Dette kan gi retning for utvikling av mer bruddmotstandig glass. Studien dokumenterer ikke styrken eller levetiden til et nytt kommersielt produkt.

Mulige fordeler

Mer slagfast glass kan være nyttig i kjøretøy, bygninger og elektronikk. Slike bruksområder krever likevel egne materialvalg, konstruksjonsløsninger og tester.

Når brudd ikke kan forhindres helt, er det også viktig å begrense sprekkvekst og farlige skår. Den aktuelle studien viser ikke at forskerne allerede kan få et glassprodukt til å knuse i et bestemt mønster.

Betongdekker kan ha fuger som styrer hvor sprekker oppstår. Det illustrerer at konstruksjoner kan utformes med forventet brudd i tankene. En tilsvarende løsning for glass må utvikles og testes for glassets egne egenskaper.

Sikkerhetskrav og testing

Herdet og laminert glass brukes allerede i mange sikkerhetsprodukter. Nye materialer må også testes under relevante belastninger og oppfylle gjeldende krav. Forskningsartikkelen fastsetter ikke i seg selv nye internasjonale sikkerhetsstandarder.

Forskerne

Makina Saito ved Tohoku-universitetet ledet studien sammen med forskere fra Kyoto-universitetet, Shimane-universitetet, Japans National Institute for Materials Science og Japan Synchrotron Radiation Research Institute. Videre arbeid skal undersøke om tilsvarende mekanismer finnes i andre glassmaterialer.

Anvendelser

Kunnskap som bidrar til sterkere glass, kan på sikt forbedre holdbarheten til blant annet mobilskjermer. Studien betyr likevel ikke at en skjerm som tåler ethvert fall, allerede er utviklet.

Bygg

Bygningsglass må tåle forventet vind, slag, temperaturendringer og bevegelser i konstruksjonen. Materialforskning kan bidra til bedre produkter, men et sterkere glass alene gjør ikke en hel bygning sikker mot orkaner eller tornadoer.

Beskyttelsesutstyr

Gjennomsiktig ballistisk beskyttelse krever tilpassede flerlagskonstruksjoner og testing mot bestemte trusler. Kunnskap om spenningsrelaksasjon kan være relevant for fremtidig materialutvikling, men studien dokumenterer ikke et nytt skuddsikkert glass.

Et selskap i glassindustrien

Glass inngår i mange produkter, og forbedringer kan være relevante for en rekke produsenter. Corning er et eksempel på et selskap i denne industrien. Det innebærer ikke at selskapet deltar i studien eller har inngått avtale om å kommersialisere resultatene.

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW ) utvikler glass, keramikk og optisk teknologi. Gorilla Glass er selskapets merkevare for beskyttelsesglass til forbrukerelektronikk. Corning har også virksomhet innen skjermglass og optisk kommunikasjon.

I oktober 2024 kunngjorde Corning en flerårig leveranseavtale med AT&T (T ) om fiber, kabler og forbindelsesløsninger. Avtalen gjelder optisk kommunikasjon og er ikke en avtale om kommersialisering av den aktuelle glassforskningen.

Corning driver forskning og utvikling innen optikk og materialer. Denne virksomheten viser selskapets tilknytning til glassindustrien, men betyr ikke at ett forskningsresultat automatisk vil gi bedre lønnsomhet.

Oppkjøp og utvidelser kan påvirke et selskaps teknologier og kundebase. Ved en investeringsvurdering må økonomi, utsikter og risiko undersøkes. Tilknytningen til glassindustrien er alene ingen garanti for at GLW er en god investering.

Videre arbeid

Neste steg omfatter å undersøke andre glassammensetninger og knytte mikroskopiske mekanismer til målbare forbedringer i produkter. Påstander om gjennomsiktige ubåter eller romfartøy som tåler solens varme, følger ikke av denne studien.

Et bidrag til mer bruddmotstandig glass

Studien gir bedre innsikt i hvordan mikroskopiske bevegelser kan avlaste spenninger i glass. Slik kunnskap kan støtte videre materialutvikling. Den fjerner ikke alle årsaker til glassbrudd og innebærer ikke at et ferdig produkt er klart for markedet.

Les også om andre fremskritt innen materialvitenskap.

Forskningsreferanse:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2025; publisert på nett i 2024). Oppdagelse av kollektive bevegelser uten hopp som fører til Johari–Goldstein-prosessen for spenningsrelaksasjon i modell-ioneglass. Acta Materialia, 284, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}