“人造玻璃最早出現(xiàn)在5000年前的埃及和美索不達(dá)米亞東部。自公元一世紀(jì)起，隨著玻璃熔融和成型技術(shù)的不斷進(jìn)步曹铃，人們越來越多地使用玻璃，而且一直延續(xù)至今捧杉。為了慶祝玻璃在歷史上和未來對人類的貢獻(xiàn)陕见，聯(lián)合國將2022年定為“國際玻璃年”。

玻璃是一種經(jīng)過快速熔融淬火形成的非結(jié)晶（非晶態(tài)）固體募型。從原子級(jí)來看指晾，玻璃結(jié)構(gòu)是典型的過冷液體。不過哀揽，從宏觀上看理斜，玻璃同時(shí)具有固體的所有機(jī)械特性。

拉曼光譜是研究玻璃的強(qiáng)大工具睬肮。它能夠以無損分析方式提供化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息伐薯，而且無需任何樣品制備工作。我們使用inVia?共焦顯微拉曼光譜儀分析了玻璃樣品的結(jié)構(gòu)和組分匣诉。

拉曼譜帶揭秘玻璃的結(jié)構(gòu)和組分

硅玻璃是由硅氧四面體共頂點(diǎn)（SiO4結(jié)構(gòu)單元）形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)诡岂。在850-1300 cm-1之間，四個(gè)拉曼譜帶對應(yīng)于四面體硅結(jié)構(gòu)圖片的振動(dòng)模式辜色，這些拉曼譜帶的位置與氧化硼 (B2O3) 的濃度密切相關(guān)啥葡。（3）

我們使用inVia顯微拉曼光譜儀分析了具有不同氧化硼濃度的一系列硅玻璃樣品。使用532 nm激光器在數(shù)秒內(nèi)采集了數(shù)據(jù)潜呻。圖1顯示了具有不同B2O3濃度的硼硅玻璃的兩張拉曼光譜。400-850 cm-1間的拉曼譜帶變化表明，硼硅玻璃中可能形成了硅硼鈉石 [BSi3O8]-和硅酸硼鈣石 [B2Si2O8]2-的超結(jié)構(gòu)蚂会。

圖1 |具有不同B2O3濃度的硼硅玻璃的拉曼光譜淋样。當(dāng)B2O3濃度從2%增至10%時(shí)，圖片結(jié)構(gòu)的拉曼譜帶位置相應(yīng)地從1092 cm-1移至1073 cm-1

圖2 | 因B2O3濃度變化而引起的圖片硅結(jié)構(gòu)拉曼譜帶偏移的校準(zhǔn)曲線

圖2顯示了拉曼譜帶位置圖片與B2O3濃度的線性關(guān)系胁住。利用校準(zhǔn)曲線趁猴，僅根據(jù)拉曼譜帶位置圖片，即可推斷B2O3的濃度和硼硅玻璃的預(yù)期物理化學(xué)特性彪见。

inVia顯微拉曼光譜儀可用于確定玻璃的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)儡司。使用校準(zhǔn)模型，可以對B2O3濃度未知的玻璃進(jìn)行精確定量余指。數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析都可以自動(dòng)進(jìn)行捕犬，因此這個(gè)過程非常快速酵镜、簡便碉碉。

揭秘玻璃中的氣體包裹體

玻璃中常見的包裹體是氣泡。包裹體會(huì)對玻璃的物理特性和性能產(chǎn)生不利影響淮韭。這些包裹體可能源自于殘存的空氣垢粮，材料分解，或者玻璃生產(chǎn)過程中的氧化還原反應(yīng)恐氓。

inVia顯微光譜儀能夠以高空間分辨率分析微小的包裹體抬奠。使用EasyConfocal?（輕松共焦）技術(shù)，可以識(shí)別包裹體內(nèi)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物相叛剩。我們使用高數(shù)值孔徑 (NA) 物鏡提高了空間分辨率蚓绞，因此可針對包裹體采集盡可能豐富的信息。圖3顯示了使用透射光照明采集的玻璃包裹體的光學(xué)圖像伶段。

圖3 |使用inVia顯微光譜儀的透射光照明和5倍物鏡采集的玻璃包裹體光學(xué)圖像

圖4 | 玻璃包裹體中的化學(xué)物質(zhì)的拉曼光譜

圖4顯示了兩種不同包裹體的拉曼分析結(jié)果婴悠。我們使用532 nm激光器采集了拉曼光譜。在紅色光譜中汞坚，151罐闰、218、246梦立、437和470 cm-1處的拉曼譜帶對應(yīng)于固態(tài)硫磺噪芭。在藍(lán)色光譜中，1285 cm-1和1387 cm-1處的拉曼譜帶對應(yīng)于液態(tài)二氧化碳港遇。如1555 cm-1處的拉曼譜帶所示楞艾，兩種包裹體都包含氧氣。識(shí)別包裹體有助于優(yōu)化在玻璃產(chǎn)品和復(fù)合材料制造過程中使用的材料和工藝龄广。

延長玻璃制品的使用壽命

玻璃用途非常廣泛硫眯，是日常用品、裝飾品還有一些精密光學(xué)元件的主要材料。具體使用時(shí)两入，會(huì)采用電鍍或沉積等技術(shù)在玻璃表面涂覆不同的材料獲得不同的應(yīng)用净宵，并且為了延長壽命，還可能會(huì)涂上保護(hù)層裹纳。這就牽涉到玻璃涂層的腐蝕問題择葡。

拉曼成像可以分析玻璃基底及其反射涂層之間的受腐蝕界面。如前所述剃氧，inVia顯微拉曼光譜儀的優(yōu)異共焦能力對于此類分析非常重要敏储。我們使用532 nm綠色激光激發(fā)光源，它非常適合分析無機(jī)物朋鞍。

圖5 | 鏡子表面一塊染色區(qū)域的高分辨率拉曼圖像已添，顯示存在多種不同的成分：氯化銀(I) [綠色]、玻璃[紅色]番舆、碳[藍(lán)色]露您，以及方石英和菱鎂礦混合物[紫色]

鏡子通常是在背面涂有反射涂層的玻璃，圖5顯示了一面受腐蝕的鏡子的高分辨率拉曼圖像吗修。在未受腐蝕的區(qū)域烙欧，只檢測到了玻璃[紅色]。而在受腐蝕的區(qū)域鼠泊，拉曼分析顯示存在氯化銀 (I) [綠色]耙侵，以及方石英和菱鎂礦混合物[紫色]。方石英是二氧化硅的多形體耽坤，在玻璃生產(chǎn)過程中的極高溫度下形成宝庵。受腐蝕的區(qū)域存在方石英，這表明它會(huì)引起或加速鏡子反射涂層的腐蝕瘸酒。

通用的玻璃分析技術(shù)

拉曼光譜是一種功能強(qiáng)大的無損分析技術(shù)植碳，適用于研究玻璃的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)組成。無論是在包裹體內(nèi)還是內(nèi)部界面上钙幼，拉曼光譜可以輕松識(shí)別表面之下的材料雳唧，幫助用戶深入了解玻璃材料的歷史。

（雷尼紹Renishaw）

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