近日，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部在玻璃腐蝕機理研究方面取得了新進展。提出了腐蝕層中凝膠層形成的新機理，該機理完美地解釋了長期以來學術界在玻璃腐蝕機理研究中未能達成一致的關鍵問題。相關研究成果以“Exploring the Corrosion Mechanism of Oxide Glasses Using Advanced Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

玻璃的化學穩(wěn)定性對于其在生物、光學以及核廢料固化等領域的應用至關重要。深入理解玻璃的腐蝕機理是實現(xiàn)其化學穩(wěn)定性調控的前提。盡管玻璃腐蝕機理的研究已經(jīng)進行了70多年，但一直未能達成一致。爭議的焦點集中于玻璃腐蝕層中凝膠層的形成機理，特別是關于凝膠層與玻璃相之間界面附近化學濃度突變的起因。以往的幾種主流觀點都一致認為這種化學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，這些觀點對沉積機理的解釋也各不相同。然而，這些觀點都無法解釋為什么在溶液尚未達到飽和狀態(tài)時仍然會形成凝膠的現(xiàn)象。

研究人員通過多種先進的固體核磁共振技術，全面解析了玻璃腐蝕過程中的化學變化和原子尺度上的結構變化。結果顯示，在凝膠層形成過程中玻璃網(wǎng)絡被水大量破壞，而在水合玻璃層中，水主要填充在玻璃網(wǎng)絡的隙縫中，極少壞玻璃網(wǎng)絡的結構。正是這種結構上的顯著差異導致了凝膠層與玻璃相之間界面附近化學濃度突變現(xiàn)象的出現(xiàn)。這一新發(fā)現(xiàn)將推進對玻璃腐蝕機理的理解。

本工作得到了到國防科工局乏燃料后處理科研專項的支持。

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左圖：磷酸鹽玻在璃腐蝕過程中的結構演變。右圖：腐蝕7天后玻璃的27Al MAS譜和27Al{1H} 1D HMQC譜圖的對比結果。