巴西圣保罗州奥卡洛斯市的玻璃材料研究、教育和创新中心(CeRTEV)的一项研究首次揭示了在硅酸盐玻璃中加入氧化铌(Nb2O5)会导致二氧化硅网络聚合，增加键密度和连通性，从而提升特种玻璃的机械和热稳定性。
该研究发表在《材料学报》杂志上。
文章的第一作者Henrik Bradtmüller是奥卡洛斯联邦大学精确科学与技术中心(CCET-UFSCar)的博士后研究员，他的导师Edgar Dutra Zanotto是CeRTEV的主任，也是文章的最后一位作者。CeRTEV由UFSCar主办。
“我们的研究结合了核磁共振光谱和拉曼光谱的实验观察与计算建模。除了上述结果，我们还发现，铌含量增加会导致Nb2O5聚集和电子极化率的提高，对玻璃的光学性能产生显著影响，”Bradtmüller说。
值得注意的是，拉曼光谱提供了关于材料分子结构的详细信息，而核磁共振(NMR)光谱则探索了其原子核的磁性。
“我们基于这两种观察技术和计算建模的策略可以用于研究其他类型的玻璃功能元素，包括光学材料、生物活性玻璃和玻璃快离子导体。这将推动适应各种应用的创新玻璃配方的发展，”Bradtmüller说。
Bradtmüller指出，除了普通玻璃在容器、窗户等日常应用外，高质量玻璃在现代社会中无处不在，如科学家使用的显微镜和望远镜、光纤传输数据和电力，以及用于医疗的玻璃陶瓷矫形器。他说：“为了认识到玻璃在当代社会中的重要性，联合国宣布2022年为国际玻璃年。”
对于先进的高科技应用，材料科学家正在利用机器学习软件和其他计算资源来设计具有定制特性的玻璃，但要实现这一点，他们需要可靠的数据库和考虑到玻璃物理化学复杂性的结构参数。
这就是Bradtmüller及其同事的研究的意义所在。“玻璃中间体氧化物在这个新技术时代发挥着战略作用。在标准冷却条件下，它们不会形成玻璃，但在其他氧化物存在的情况下，它们可以积极参与，帮助建立氧桥，赋予玻璃所需的特性。氧化铌就是一个很好的例子。”
含铌(Nb)的玻璃因其非线性光学特性而受到重视，在光电器件中具有潜在应用，以及与制造生物活性材料相关的机械性能。“尽管之前已经使用Nb2O5进行了研究，但由于缺乏系统的光谱表征数据，铌的结构作用仍然不明确。我们的研究旨在填补这一知识空白。”
“通过光谱学，我们发现铌的加入导致了二氧化硅-氧网络的‘聚合’，增加了玻璃组分的连通性。这澄清了铌作为‘网络前体’的作用。另一个亮点是，我们证明了我们在2020年使用其他材料开发的一种新的核磁共振技术适用于玻璃。这种技术被称为W-RESPDOR，可以用来测量两种元素之间的距离——在这种情况下，锂和铌，其原子核如此具有挑战性，以至于从未用类似的技术测量过。”
他解释说，计算模型显示，锂离子在纳米尺度(5-10纳米)上随机分布在硅基玻璃中，而铌在Nb2O5浓度较高时倾向于形成簇状。这种结构安排在文献中从未报道过，是该研究的原创贡献。
