上海光機所在玻璃的腐蝕機理方面取得新進展

近日，中科院上海光機所先進激光與光電功能材料部在玻璃腐蝕機理研究方面取得了新進展。提出了腐蝕層中凝膠層形成的新機理，該機理完美地解釋了長期以來學(xué)術(shù)界在玻璃腐蝕機理研究中未能達成一致的關(guān)鍵問題。相關(guān)研究成果以“Exploring the Corrosion Mechanism of Oxide Glasses Using Advanced Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性對于其在生物、光學(xué)以及核廢料固化等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。深入理解玻璃的腐蝕機理是實現(xiàn)其化學(xué)穩(wěn)定性調(diào)控的前提。盡管玻璃腐蝕機理的研究已經(jīng)進行了70多年，但一直未能達成一致。爭議的焦點集中于玻璃腐蝕層中凝膠層的形成機理，特別是關(guān)于凝膠層與玻璃相之間界面附近化學(xué)濃度突變的起因。以往的幾種主流觀點都一致認為這種化學(xué)濃度的突變是由于玻璃成分溶解后再沉積在玻璃表明造成的，這些觀點對沉積機理的解釋也各不相同。然而，這些觀點都無法解釋為什么在溶液尚未達到飽和狀態(tài)時仍然會形成凝膠的現(xiàn)象。

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左圖：磷酸鹽玻在璃腐蝕過程中的結(jié)構(gòu)演變。右圖：腐蝕7天后玻璃的27Al MAS譜和27Al{1H} 1D HMQC譜圖的對比結(jié)果。

研究人員通過多種先進的固體核磁共振技術(shù)，全面解析了玻璃腐蝕過程中的化學(xué)變化和原子尺度上的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示，在凝膠層形成過程中玻璃網(wǎng)絡(luò)被水大量破壞，而在水合玻璃層中，水主要填充在玻璃網(wǎng)絡(luò)的隙縫中，極少壞玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)上的顯著差異導(dǎo)致了凝膠層與玻璃相之間界面附近化學(xué)濃度突變現(xiàn)象的出現(xiàn)。這一新發(fā)現(xiàn)將推進對玻璃腐蝕機理的理解。

本工作得到了到國防科工局乏燃料后處理科研專項的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120164