这一突破来自多特蒙德工业大学、帕德博恩大学、杜伊斯堡-埃森大学和牛津大学的合作研究。发表在《自然·材料》上的这项研究表明，在熔融过程中添加一种特定的有机分子可以重组某些类型玻璃内部的化学键。
该方法还使这些材料能在低得多的温度下熔融，从而避免了制造过程中可能发生的损坏。这类特种玻璃在气体存储、电池、光学技术和催化领域具有潜在的应用前景。
一种从内部改变玻璃的分子技巧
“我们找到了一种方法，可以在制造过程中直接对所谓的金属有机框架化合物（简称MOF）衍生玻璃的结构进行化学改性，”来自多特蒙德工业大学、领导这项研究的Sebastian Henke教授解释道。
关键成分是一种名为1,10-菲咯啉的分子。在生产过程中引入时，它执行两项重要任务：它降低了熔化材料所需的温度，同时也改变了金属原子与周围分子的连接方式。
这种组合使研究人员能够制造出具有磁性或发光特性的玻璃，而此前若不将材料暴露于可能具有破坏性的温度下，是无法实现这些特性的。
改写熔融玻璃的化学性质
要理解这种方法的重要性，有必要了解玻璃通常是如何形成的。当液体冷却得足够快时，其原子会被锁定在无序排列中，而不是形成晶体中那种重复的图案。
“通常情况下，玻璃是在熔融液体快速冷却时形成的。随后固体结构定型，原子没有以规则的图案排列。直到现在，研究人员往往不得不接受由起始材料决定的这些玻璃的化学性质，”Henke教授解释道。
新的发现表明，科学家可以对这个过程施加更大的控制。
金属有机框架是由有机化合物连接金属中心构成的材料。通过在这些材料处于熔融状态时引入菲咯啉，研究人员可以在玻璃固化之前改变结构内部的化学连接。
“关键在于，该分子不仅仅是作为填充物保留下来，”Henke教授继续说道。“它参与了反应。因此，我们正是在材料仍处于液态的确切时刻改变其化学性质。”
单分子如何重构玻璃
研究人员在加热前将菲咯啉添加到起始材料中。一旦混合物开始熔化，该分子不仅仅是降低熔化所需的温度，它还积极参与重组玻璃网络的化学反应。
该过程通过改变金属原子与邻近分子的连接来改变金属原子的直接环境。
“作为助熔剂，该物质降低了材料熔化的温度；作为化学试剂，该分子直接与金属原子结合并部分置换旧键。在熔融状态下，该分子干扰了所谓的配位环境。这个术语描述了单个原子周围有多少邻居。由于新分子与金属中心的结合更紧密，邻居的数量增加了，”Henke教授解释道。
这些相互作用引发了玻璃内部结构的实质性重排。重要的是，研究人员可以通过调整添加的菲咯啉的量，来控制材料变化的程度。
这为科学家提供了一种在制造过程中调节玻璃性质的实用方法，而不必完全依赖原始成分的化学性质。
较低的温度防止玻璃受损
该发现的另一个主要优势是它克服了制造特种玻璃中长期存在的一个问题。
研究的一些材料无法承受通常熔化它们所需的温度。它们不会变成可用的玻璃，而是开始分解，破坏其结构并产生不需要的杂质。
这种新的分子方法允许材料在更温和的条件下熔化，从而避免了大部分问题。
“多亏了这个分子技巧，材料在显著降低的温度下熔化并保持稳定。对含钴玻璃的研究表明，这种更温和的过程防止了有害分解产物的形成，”来自帕德博恩大学的Matthias Bauer教授解释道。
在研究磁性质时，防止这些不需要的副产物尤为重要。杂质会干扰测量并掩盖材料的实际磁性行为。通过保持玻璃的化学稳定性，研究人员可以更清楚地观察这些效应。
先进的X射线测量证实了这些变化
为了验证分子处理确实改变了玻璃，研究团队采用了复杂的分析技术。
研究玻璃是一个挑战，因为其原子不遵循晶体材料中那种规则的重复排列。这限制了传统X射线方法所能揭示的关于其内部结构的信息。
Bauer教授解释说：“相反，我们使用了X射线吸收光谱等技术。这种方法使我们能够研究钴原子的直接环境。”
测量提供了有力的证据，表明新分子改变了金属中心周围的原子排列。
尽管钴原子保持了相同的化学状态（氧化态），但它们的局部环境发生了相当大的变化。连接它们与附近分子的键进行了重组，以适应添加的菲咯啉。
这些观察证实，该方法不仅仅是帮助材料熔化，它还改变了玻璃本身的潜在化学性质。
具有可调性质的新一代玻璃
研究人员还证明，他们的方法不仅适用于他们研究的原始材料。基于羧酸盐的框架结构的成功实验表明，该技术可以应用于更广泛的玻璃材料。
这种多功能性尤其令人鼓舞，因为它将生产的熔融阶段转变为设计新材料性质的机会。
Henke教授总结了这对未来的意义：“熔体不再是一个刚性的中间状态。它变成了一个反应空间，我们可以在其中编程结构。”
精确修饰金属中心的能力最终可能导致为特定技术目的设计的先进玻璃组件。
潜在的应用包括化学催化剂、传感器以及利用光与电之间相互作用的 光电子器件。研究人员还可以开发能够控制磁性行为、操纵光线或以更高精度影响化学反应的材料。
通过将熔融玻璃转变为一种可以有意调整其化学性质的材料，这一发现为制造具有常规制造技术难以产生的性质的特种玻璃提供了一条新途径。