月球玻璃地质时间尺度的超凡抗老化效应

来源: 松山湖材料实验室

发布日期: 2023-11-21 19:11:09

研究揭示了月球玻璃在地质时间尺度上的显著老化效应及其超凡的抗老化机制,为未来月球和星际探索的材料选择、成份设计和性能调控提供了重要指导。

玻璃被认为是气、液、固之外的第四态物质,对人类社会发展和科技进步起着至关重要的作用,其应用关系到我们日常生活方方面面。玻璃是热力学不平衡状态物质,在玻璃化转变温度以下会不可避免地朝平衡态转变,即发生物理老化(以下简称老化),导致其结构和性能随着时间的推移而转变,直接影响玻璃的稳定性。因此,老化是玻璃研究领域长久以来的热点问题。

尤其是玻璃的长期抗老化效应,关系到玻璃的能态下限以及相应的结构和性能极限,更是人们关注的焦点。

2022年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心报道了Ce基金属玻璃经过近18年室温时效,仍然保持玻璃态结构的独特超稳定特性。然而,由于实验时间的有限性以及经历长时间老化玻璃试样的稀缺性,玻璃的长期老化机制至今尚不明晰。

月球玻璃是月球风化层的常见成分,主要来源于陨石撞击,它们经历了极长时间(数百万至数十亿年)的老化,依然保持着完好的玻璃结构,因此月球玻璃可以作为评价玻璃长期抗老化效应的理想材料。

月球风化层为空间探索用玻璃材料的制备提供了最经济、最便捷的在地原材料。因此,研究认识月球玻璃的老化和抗老化效应,可为未来月球和星际探索的材料选择、成份设计和性能调控提供指导。

得益于中国科学院物理研究所汪卫华院士、南京大学邹志刚院士和中国空间技术研究院杨孟飞院士组织的嫦娥五号月壤试样研究项目和团队,松山湖材料实验室联合中科院物理所、钱学森实验室和南京大学系统研究了月球玻璃地质时间尺度的老化效应和抗老化机制。

研究结果表明,月球玻璃的长期老化效应均非常显著。

保守评估这些月球玻璃颗粒老化所致杨氏模量的增量高达几十个百分点(其中最大增量高达73.5%),在其他玻璃体系中还从未报道过如此严重的老化效应。研究发现,在这些月球玻璃颗粒中观察到不同程度的杨氏模量和硬度之间的解耦现象,即老化虽然导致杨氏模量显著增加,其硬度变化却相对较小。

通过对各种玻璃体系在不同时间尺度下的老化效应的对比,揭示月球玻璃的超凡抗老化效应主要归因于在特殊的月球环境下自然选择的复杂成分(高熵效应)。

这项发现也证明通过多组分混合、熵调控和适当微量元素的掺入,可以有效增强玻璃抵抗老化的能力,从而增强其抗老化效应和性能调控及服役范围,研究结果为面向辐射防护和空间应用的高性能玻璃材料的研发和性能调控提供指导和帮助。

相关结果以“Geological timescales' aging effects of lunar glasses”为题于2023年11月8日发表在Science Advances期刊上。

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