Pour la première fois, les changements structurels souterrains du verre de silice dus à l'usure et aux dommages à l'échelle nanométrique ont été révélés par spectroscopie, ce qui peut conduire à des améliorations des produits en verre tels que les écrans électroniques et les pare-brise de véhicules, selon une équipe de chercheurs internationaux.

"L'un des principaux domaines de recherche de mon groupe est la science de la surface du verre, principalement la relation entre la propriété, la structure du verre, et propriétés mécaniques et chimiques, en particulier la durabilité mécanique et la durabilité chimique, " Seong Kim, Penn State professeur distingué de génie chimique et co-auteur principal de l'étude en Acta Materialia , mentionné. "Et l'une des techniques que nous utilisons est la spectroscopie vibrationnelle. Mais le défi de l'analyse structurelle à l'échelle nanométrique d'une surface de verre est que bon nombre des techniques de spectroscopie que les gens utilisent largement ne fonctionnent pas ici."

La spectroscopie infrarouge ne peut détecter les défauts de surface que dans une certaine mesure. Si le type de défaut généré sur la surface du verre est inférieur à 10 microns, qui est inférieure à la longueur d'onde de 10 microns de la spectroscopie infrarouge, il ne peut pas être correctement analysé ou imagé. Les techniques d'analyse telles que la spectroscopie Raman utilisées dans la communauté de recherche sur le verre fonctionnent mieux en termes de résolution spatiale, mais ne sont toujours pas suffisants pour l'analyse structurelle à l'échelle nanométrique.

L'équipe de Kim voulait produire une technique qui permettrait de découvrir quel type de changement de structure se produit autour des indentations de niveau nano dans la surface du verre. Dans le cadre de l'étude, ils ont indenté la surface du verre avec une petite pointe qui peut faire des nano-indentes de quelques centaines de nanomètres de profondeur et d'un ou deux microns de large. Il est important de trouver le type de changements structurels qui se produisent même avec de minuscules niveaux de dommages, car ces imperfections infinitésimales peuvent affecter la résistance du verre.

Selon les chercheurs, un exemple de ceci est Gorilla Glass, fabriqué par Corning Inc. comme verre d'affichage pour les appareils électroniques tels que les téléphones portables, et plus récemment pour les pare-brise de voiture et d'avion. Ce verre est extrêmement résistant lorsqu'il quitte la plante, mais au moment où il atteint les fabricants, le verre est plus faible. Cela est dû à de minuscules rayures et autres dommages lors des contacts physiques causés par le contact du papier d'expédition, vibrations dans un camion, assise dans les emballages et bousculades régulières lors du déchargement. Les défauts peuvent ne pas être visibles, mais ils suffisent à affaiblir le verre.

En outre, le verre peut se corroder. La corrosion est différente de la corrosion du métal. Dans la corrosion du verre, le verre perd certains de ses éléments constitutifs à la surface du verre et les propriétés chimiques du verre changent, qui peut également affaiblir le verre.

"Donc, comment caractériser de tels dommages structurels invisibles ?", a déclaré Kim. "C'est un domaine très important pour la science du verre, comme théoriquement, le verre doit être aussi solide que l'acier. Mais le verre n'est pas aussi résistant que l'acier et l'une des principales raisons sont les défauts de surface."

Lorsque l'équipe de Kim a fait ses ultra-petites empreintes dans le verre, ils voulaient voir quel type de changement structurel s'était produit dans et autour de l'empreinte en raison des dommages causés au verre.

"Donc, car la taille maximale des empreintes n'était que de quelques microns, nous avions besoin d'une technique de spectroscopie infrarouge à haute résolution spatiale pour caractériser cela, ", a déclaré Kim.

Pour surmonter ce défi et "voir" les dommages au verre, Kim a contacté un collègue, Slava V. Rotkin, Penn State Frontier professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique, qui utilise une nouvelle technique d'instrumentation connue sous le nom de « cartographie optique hyperspectrale en champ proche ». Cette technique offre à la fois une résolution spectrale optique et une résolution spatiale élevée et utilise un microscope optique à champ proche à balayage à diffusion construit par Neaspec GmpH, une société allemande d'instruments d'imagerie et de spectroscopie à l'échelle nanométrique.

"Jusqu'à très récemment, des études comme celle de Seong étaient soit indirectes parce que vous ne pouvez pas vraiment faire d'imagerie des petites choses qui se passent à l'échelle nano, ou ils toucheront à des choses physiques comme des atomes ou des molécules mais pas les propriétés optiques, " dit Rotkin. " Alors, notre instrument est vraiment unique car il permet de faire des études d'optique à des échelles extrêmement petites, ce qui n'était jamais possible dans le passé."

Le verre est principalement de l'oxyde de silicium et le même, en principe, comme le sable ou le quartz cristallin des montres, avec une différence flagrante :le niveau de défauts présents. Le sable est comme une pierre avec de nombreux défauts de surface, le quartz cristallin est un cristal parfait, et le verre est quelque chose entre les deux. Cela rend difficile de "voir" le verre à l'échelle nano, car il y a tellement de non-uniformités. Mais la technique de cartographie optique hyperspectrale en champ proche permet aux chercheurs de cibler et de voir les effets des rayures sur le verre, même au-delà des dommages topographiques.

"C'est comme regarder une grande forêt d'en haut, et il y en a beaucoup, de nombreux arbres, des buissons, champignons, fleurs et ainsi de suite, et vous ne savez pas vraiment quoi regarder, " dit Rotkin. " Les élèves de Seong ont fait des rayures dans le verre. Et puis tu vois la rayure, c'est intéressant et se démarque, comme si vous défrichiez une ouverture dans la forêt en enlevant des arbres. Et quand tu débroussailles les arbres, cela peut pousser un buisson au sol et cela change d'une manière ou d'une autre la couleur des feuilles en raison de certains dommages. Peut-être que vous ne pouvez pas le voir avec l'instrument de visualisation que vous utilisez, mais avec notre instrument, c'est comme être capable de voir ce buisson individuel, et pas seulement ça, voir que les feuilles sont devenues rouges."

C'est une étape importante pour la science du verre, selon les chercheurs.

"L'article que nous avons publié en principe ouvre une nouvelle voie pour apprendre comment ces non-uniformités du verre se produisent, et quelle est la physique derrière cela, " dit Rotkin. " Nous voyons qu'il y a des changements mécaniques, les rayures produisent des changements physiques, changements chimiques et changements dans les propriétés optiques. C'est extrêmement intéressant. C'est vraiment une très grosse affaire."

Comprendre cela est important car la précision est importante pour de nombreux types d'appareils. Une caméra sur un rover de Mars peut mesurer les propriétés spectrales sur la surface martienne, mais une rayure sur le verre pourrait non seulement affecter les propriétés optiques, mais aussi les propriétés mécaniques et chimiques qui sont importantes pour des mesures vraiment précises. Ou, les nano-rayures sur le verre d'un appareil photo de téléphone portable ne pouvaient pas seulement changer la transparence, mais pourrait également changer les codes de couleur et entraîner des photos de qualité inférieure, dit l'équipe.

"Cette étude vise davantage à comprendre ce qui arrive au verre d'une manière que nous n'avons jamais faite auparavant, et sans comprendre, un processus ou un produit peut être amélioré par de simples essais et erreurs, " a déclaré Kim. "Mais une meilleure façon de le faire est le développement ou le traitement basé sur la connaissance. Donc, si nous ne pouvons pas comprendre quel genre de défauts sont faits par contact physique, comment pouvons-nous rendre la surface du verre meilleure ou plus parfaite, plus durable, mécaniquement et chimiquement ?"

Fort de ces informations, Kim pense qu'il existe une forte possibilité de nouvelles avancées dans la science du verre.

"En comprenant les dommages de surface nanométriques sur les matériaux de verre à plusieurs composants en utilisant la technique comme celle-ci, nous pouvons considérablement augmenter notre compréhension fondamentale de la science du verre, ", a déclaré Kim.