Скорость «стекания» стекол с дисплеев оказалась неожиданно высокой

Моделирование кристаллической структуры стекла, которое авторы используют для расчета свойств Gorilla Glass

Mengyi Wang/UCLA

Коллектив исследователей из нескольких университетов США установил, что время релаксации многих современных стекол невелико и определили зависимость этого времени от размеров образцов и состава материала. В частности, это касается многих стекол, используемых в производстве дисплеев. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Авторы данной работы провели теоретическое исследование процессов релаксации различных видов стекол. Под релаксацией, или старением, в данном случае понимается снятие внутренних напряжений кристаллической структуры. Они возникают из-за способа получения материала — быстрого переохлаждения расплава компонентов. С помощью методов молекулярной динамики ученые предсказали, что время релаксации сильно зависит от размера материала. То есть чем больше кусок стекла, тем быстрее он деформируется со временем.

Кроме того, значительное влияние на процессы релаксации оказывает так называемый полищелочной эффект — изменение свойств в зависимости от состава стекла. Поскольку в нем содержатся ионы разных щелочных металлов, их внедрение в позиции друг друга приводит к неподвижности более крупных ионов, которые оказываются «зажаты» в позициях более мелких атомов. Если же разница между радиусами щелочных металлов значительная, то они будут передвигаться по вакантным позициям, пока не займут наиболее выгодные. Это означает, что если в составе стекла много ионов разного размера, такой материал будет сильно деформироваться со временем.

Обычное стекло состоит в основном из оксида кремния с добавками щелочных оксидов, фторидов, фосфатов и представляет собой аморфное метастабильное состояние вещества, поэтому его вязкость — непрерывная функция температуры. В связи с этим существует распространенный миф о том, что, как и переохлажденные жидкости, стекла продолжают «течь» на протяжении многих лет. В доказательство обычно приводят увеличение толщины стекла в нижней части, например, витражей в средневековых кафедральных соборах. Однако это не более чем артефакт, образующийся при получении таких витражей старинными методами. Вязкость стекла ниже температуры стеклования настолько быстро увеличивается, что время, которое необходимо для заметной деформации, при комнатных температурах составляет порядка 1032 лет.

Однако многие современные высокотехнологичные стекла имеют гораздо более скромные показатели. Например, старение известного коммерческого Corning Gorilla Glass, которое широко используется в производстве современных мобильных устройств, составляет всего 1,5 года в стандартных условиях. Поскольку размер экрана сотового телефона довольно мал, за время его эксплуатации каких-либо заметных изменений не произойдет. Однако большие экраны, например, рекламные дисплеи начнут деформироваться уже через несколько месяцев после изготовления с медленной, но значительной для их размера скоростью — порядка 10 мкм на квадратный метр в год. Это накладывает ограничения на предельные размеры выпускаемых устройств, сделанных из этих материалов.

Екатерина Митрофанова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.