Uncovering the deformation mechanism of glasses during indentation through high-resolution X-ray scattering
本研究利用高分辨率同步辐射X射线纳米散射技术，表征了多种氧化物和氧氮化物玻璃在压痕过程中的原位次表面变形机制，揭示了致密化与剪切流之间的相互作用受泊松比支配，从而为设计更具抗损伤能力的材料提供依据。
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玻璃是一种表面看起来非常简单的材料：它坚硬、透明，用途广泛，从窗户到智能手机屏幕皆是如此。然而，在平滑的外表之下，隐藏着复杂的内部结构，在受到挤压时会表现出令人惊讶的行为。与可以弯曲和拉伸而不破裂的金属不同，玻璃是脆性的；当压力过大时，它倾向于破碎。这种脆性通常始于表面微小的、肉眼不可见的裂纹，这些裂纹往往是由尖锐物体压入材料所导致的。为了让玻璃变得更强韧，科学家需要准确了解材料在受压瞬间究竟发生了什么。他们需要观察原子在压力下是如何重新排列的，这一过程涉及两种主要的竞争行为：材料被挤压得更加紧密，或是层与层之间像一副扑克牌一样相互滑动。了解哪种行为发生以及发生在何处，是设计能够抵抗损伤的玻璃的关键。
丹麦奥尔堡大学的一个研究小组，与瑞典MAX IV实验室的同事合作，开发出了一种实时观察这一过程的新方法。他们不再是在损伤发生后进行观察，也不再是通过切割开口来观察内部，而是利用一束强大的X射线，在玻璃被挤压的同时直接窥视材料内部。他们重点研究了四种不同类型的玻璃，范围从纯二氧化硅到含有氮的复杂混合物。通过使用钻石尖端压入玻璃，并使用宽度不超过一百纳米的X射线束扫描该区域，他们创建了一幅详细的地图，展示了玻璃结构在载荷作用下是如何变化的。这项技术使他们能够区分出那些在压力释放后消失的临时挤压现象，以及那些持续存在的永久性变化。
研究人员发现，玻璃的变形方式很大程度上取决于其化学成分，这可以通过一个被称为“泊松比”的属性来预测。该比例是衡量材料在从上方受压时向侧面挤压程度的指标。在实验中，团队发现具有低泊松比的玻璃（如纯二氧化硅）与具有高比例的玻璃（如他们测试的氧氮化物玻璃）表现截然不同。当钻石尖端压入纯二氧化硅时，变形在材料深处呈宽阔的半圆形扩散。这种变化中有很大一部分是永久性的；玻璃被挤压得如此紧密，以至于无法弹回，在身后留下了一个致密的、改变了性质的区域。相比之下，具有较高泊松比的氧氮化物玻璃则表现出更加局部的反应。变形集中在尖端正下方，形成一个狭窄的V形，并且大部分变化在压力移除后都得到了恢复。
研究还表明，损伤区域的大小并非以相同的速率在所有玻璃中增长。当研究人员将压力从1牛顿增加到2牛顿时，纯二氧化硅中的损伤区域显著扩大，而氧氮化物玻璃中的区域则保持细小且受限。这表明氧氮化物的内部结构更能抵抗损伤的扩散。此外，团队观察到，在某些玻璃中，变形涉及材料层的相互滑动，这一过程可能导致裂纹产生。在纯二氧化硅中，这种滑动极小，但在其他混合物中，这种滑动扮演了更重要的角色。通过以如此高的精度绘制这些变化，研究人员能够将弹性响应（即玻璃的暂时弯曲）与塑性响应（即原子网络的永久重塑）区分开来。
这项工作清晰地描绘了为什么某些玻璃比其他玻璃更容易产生裂纹。研究结果表明，具有较高泊松比和更致密原子结构的玻璃，能够更好地将损伤限制在较小区域内，并在压力消失后恢复其形状。对于设计现实应用中玻璃的工程师来说，这一见解至关重要，因为在这些应用中，表面缺陷是导致灾难性失效的起点。通过理解使玻璃能够抵抗损伤扩散的具体结构特征，科学家现在可以致力于创造更坚韧、更耐用的新材料。本研究开发的方法提供了一种非破坏性的测试这些材料的方式，在揭示其如何破裂的隐藏力学机制的同时，保留了它们的自然状态。
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