Группу ученых возглавляла Эммануэль Гуйар из совместного исследовательского подразделения CNRS и Saint Gobain, мирового производителя стекла, в нее входили ученые из университетов Тулузы и Гренобля, INRIA Saclay и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.
Стекло - один из старейших искусственных материалов, использование которого распространилось во времена древних египетских и римских культур. Некристаллический аморфный материал, он производится путем сплавления смесей кристаллических порошков, нагретых до высоких температур. Этими ингредиентами являются кварцевый песок (кремнезем, SiO2), карбонаты натрия и кальция (Na2CO3, CaCO3) и незначительные более специфические добавки.
В промышленных литейных цехах порошковая смесь нагревается примерно до 1500°C и выдерживается при этой повышенной температуре в течение многих дней для устранения пузырьков и нерасплавленных зерен. На это уходит много энергии, и одной из текущих промышленных задач является получение стекла хорошего качества при более низких температурах. Например, потребление энергии мировой стекольной промышленностью (86,5 ТВтч в 2005 г.) сопоставимо со всем производством электроэнергии в Нидерландах (108 ТВтч в 2008 г.).
Отдельное зерно кремнезема обычно плавится при очень высоких температурах (1700°C). Добавление карбонатов запускает химические реакции, снижающие эту температуру. Однако взаимосвязь между геометрией зерен и скоростью химических реакций на ранних стадиях плавления, которое начинается уже значительно ниже 1000°C, до сих пор остается загадкой.
Ученые задались целью понять, что именно происходит на разных стадиях превращения порошка в расплавленное стекло. Для своего эксперимента они использовали смеси сырьевых материалов, аналогичные тем, что используются для изготовления промышленных оконных стекол: две трети кварцевого песка и одна треть карбонатов натрия и кальция..
Чтобы сделать видимыми химические реакции между отдельными зернами, ученые использовали рентгеновскую микротомографию - методику, позволяющую визуализировать в реальном времени изменения формы и положения всех зерен в заданном объеме. Эти изменения исследуются тонким, интенсивным пучком рентгеновских лучей, пропущенным через образец. Подобно трехмерной последовательности «кадр за кадром» - регистрируются крошечные вариации интенсивности проходящего рентгеновского излучения, когда песчинки и карбонатные зерна начинают химически реагировать, меняя свою форму и превращаясь в расплавленное стекло. «В ESRF мы можем получать микротомографическое изображение с пространственным разрешением 1,6 микрометра каждые несколько секунд. Наблюдение быстрых изменений с высоким пространственным разрешением глубоко внутри печи, выдерживаемой при температуре близкой к 1000°C, невозможно без рентгеновских лучей», - говорит Марко Ди Мишель из ESRF.
Последовательности микротомографических изображений подтвердили важность хорошего контакта между зернами разных веществ, так как именно эти контакты определяют, превратится ли смесь в жидкое стекло или нет. Например, крупинка карбоната кальция может либо включиться в высокореакционноспособную аморфную жидкость, либо остаться кристаллическим дефектом в зависимости от наличия или отсутствия таких контактов. Исследователей удивила высокая реакционная способность карбоната натрия в твердом состоянии: эти зерна движутся непосредственно перед началом плавления, что увеличивает количество контактов с другими зернами и облегчает реакции.
Объединив сотни рентгеновских томографических изображений, ученые создали видеоряд, в котором показано, как различные зерна в смеси движутся и сливаются одно за другим в расплавленное стекло при повышении температуры с 750°C до 930°C. °С. «Я много лет работала над этими процессами, и мне было очень интересно наблюдать, как в кино, что происходит в начале перехода порошка в стекло», - говорит Эммануэль Гуйар.
Теперь ученые хотят варьировать размеры зерен и то, как они повышают температуру. В долгосрочной перспективе эти фундаментальные исследования подскажут нам, как уменьшить количество дефектов, возникающих в начале процесса формования стекла, и помогут найти более быстрые и менее энергозатратные производственные процессы. «Мы также хотим сделать рентгеновские методы визуализации и анализ данных рутинным инструментом визуализации реакционноспособных гранулированных смесей. Они используются не только в производстве стекла, но и других материалов, и я вижу огромный промышленный потенциал для оптимизации этих процессов. », - заключает Эммануэль Гуйар.