近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)激光與光電功能材料部在玻璃腐蝕機(jī)理研究方面取得了新進(jìn)展。提出了腐蝕層中凝膠層形成的新機(jī)理，該機(jī)理完美地解釋了長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)術(shù)界在玻璃腐蝕機(jī)理研究中未能達(dá)成一致的關(guān)鍵問(wèn)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(duì)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(jī)理是實(shí)現(xiàn)其化學(xué)穩(wěn)定性調(diào)控的前提。盡管玻璃腐蝕機(jī)理的研究已經(jīng)進(jìn)行了70多年，但一直未能達(dá)成一致。爭(zhēng)議的焦點(diǎn)集中于玻璃腐蝕層中凝膠層的形成機(jī)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(diǎn)都一致認(rèn)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(diǎn)對(duì)沉積機(jī)理的解釋也各不相同。然而，這些觀點(diǎn)都無(wú)法解釋為什么在溶液尚未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)仍然會(huì)形成凝膠的現(xiàn)象。

研究人員通過(guò)多種先進(jìn)的固體核磁共振技術(shù)，全面解析了玻璃腐蝕過(guò)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(guò)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(jìn)對(duì)玻璃腐蝕機(jī)理的理解。

本工作得到了到國(guó)防科工局乏燃料后處理科研專項(xiàng)的支持。

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左圖：磷酸鹽玻在璃腐蝕過(guò)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(duì)比結(jié)果。