上海光机所在玻璃的腐蚀机理方面取得新进展

近日，中科院上海光机所先进激光与光电功能材料部在玻璃腐蚀机理研究方面取得了新进展。提出了腐蚀层中凝胶层形成的新机理，该机理完美地解释了长期以来学术界在玻璃腐蚀机理研究中未能达成一致的关键问题。相关研究成果以“Exploring the Corrosion Mechanism of Oxide Glasses Using Advanced Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy”为题发表在Acta Materialia上。

玻璃的化学稳定性对于其在生物、光学以及核废料固化等领域的应用至关重要。深入理解玻璃的腐蚀机理是实现其化学稳定性调控的前提。尽管玻璃腐蚀机理的研究已经进行了70多年，但一直未能达成一致。争议的焦点集中于玻璃腐蚀层中凝胶层的形成机理，特别是关于凝胶层与玻璃相之间界面附近化学浓度突变的起因。以往的几种主流观点都一致认为这种化学浓度的突变是由于玻璃成分溶解后再沉积在玻璃表明造成的，这些观点对沉积机理的解释也各不相同。然而，这些观点都无法解释为什么在溶液尚未达到饱和状态时仍然会形成凝胶的现象。

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左图：磷酸盐玻在璃腐蚀过程中的结构演变。右图：腐蚀7天后玻璃的27Al MAS谱和27Al{1H} 1D HMQC谱图的对比结果。

研究人员通过多种先进的固体核磁共振技术，全面解析了玻璃腐蚀过程中的化学变化和原子尺度上的结构变化。结果显示，在凝胶层形成过程中玻璃网络被水大量破坏，而在水合玻璃层中，水主要填充在玻璃网络的隙缝中，极少坏玻璃网络的结构。正是这种结构上的显著差异导致了凝胶层与玻璃相之间界面附近化学浓度突变现象的出现。这一新发现将推进对玻璃腐蚀机理的理解。

本工作得到了到国防科工局乏燃料后处理科研专项的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120164