Atomic structure of hot compressed borosilicate glasses
Atomic structure of hot compressed borosilicate glasses
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热压硼硅酸盐玻璃的原子结构
DOI：
10.1111/jace.17377
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发表时间：
2020
影响因子：
3.9
通讯作者：
J. Mauro
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
L. Ding;K. Lee;T. Zhao;Y. Yang;M. Bockowski;B. Ziebarth;Q. Wang;J. Ren;M. Smedskjaer;J. Mauro
硼硅酸盐玻璃已被广泛使用超过一个世纪，然而，仍然缺乏对致密化的结构响应的详细了解。在这项工作中，两个商业硼硅酸盐玻璃，即，肖特N-BK 7 ®（N-BK 7）和Borofloat 33 ®（Boro 33）在氮气中热压至2 GPa，并通过11 B固态核磁共振（NMR）光谱和经典分子动力学（MD）模拟探索了这种致密化的结构响应。由于在2GPa下的热压缩，N-BK 7和Boro 33的摩尔体积（Vm）分别降低~5%和~ 10%。NMR结果表明存在三种不同类型的四重配位硼物质（B[4]），其在MD模拟中被确认为（0 B，4Si[4]）、（1 B [3]，3Si[4]）和（1 B [4]，3Si[4]）（其中下标表示不同的B[4]类型，括号表示次近邻（NNN））。NMR结果还表明，在2 GPa下热压缩后，通过三角硼到四面体硼（B[3]到B[4]）的转化，N-BK 7玻璃中的B[4]分数增加了~13%，而Boro 33玻璃中的B[4]分数在相同压力下仅增加了~2%，尽管N-BK 7中的Vm降低是Boro 33的两倍。MD模拟捕获了B[4]种群的实验趋势，尽管在2 GPa下N-BK 7的B[4]增加被低估（仅约6%）。此外，分子动力学模拟表明Vm降低是键角变化和Si-O-Si和B[4]-O-Si分数的线性函数。改性剂和硼配位转化还通过增加键弯曲的难度、减小键长和增加B[4]-O-Si键的数量来影响硼硅酸盐玻璃的体积致密化。最后，从NMR在热压缩的N-BK 7和Boro 33中观察到B[4]到B[4]的转化，即（1 B [3]，3Si [4]）和（1 B [4]，3Si[4]）到（0 B，4Si[4]），并在MD中定性确认。
Borosilicate glasses have been in widespread use for over a century; however, a detailed understanding of the structural response to densification is still lacking. In this work, two commercial borosilicate glasses, viz., SCHOTT N‐BK7®(N‐BK7) and Borofloat33®(Boro33), are hot compressed up to 2 GPa with nitrogen gas, and the structural response to this densification is explored via11B solid‐state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and classical molecular dynamics (MD) simulations. The molar volume (Vm) of N‐BK7 and Boro33 decreases ~5% and ~10%, respectively, as a result of hot compression at 2 GPa. The NMR results demonstrate the presence of three different types of fourfold coordinated boron species (B[4]), which are confirmed in MD simulations to be (0B,4Si[4]), (1B[3],3Si[4]), and (1B[4],3Si[4]) (where subscripts represent different B[4]types and brackets indicate the next nearest neighbors (NNN)). The NMR results also show that the fraction of B[4]increases by ~13% in N‐BK7 glass upon hot compression at 2 GPa via the trigonal boron to tetrahedral boron (B[3]to B[4]) conversion, while the fraction of B[4]in Boro33 glass only increases by ~2% at the same pressure, despite the fact that theVmdecrease in N‐BK7 is double that of Boro33. The MD simulations capture the experimental trends in B[4]populations, despite an underestimation of the B[4]increase of N‐BK7 (only ~6%) at 2 GPa. Moreover, the MD simulations suggest that theVmreduction is a linear function of bond angle change and the fraction of Si‐O‐Si and B[4]‐O‐Si. The modifiers and boron coordination conversion also influence the volume densification of borosilicate glasses by increasing the difficulty of bond bending, decreasing the bond lengths, and increasing the population of B[4]‐O‐Si linkages. Finally, the B[4]to B[4]conversion, that is, (1B[3],3Si[4]) and (1B[4],3Si[4]) to (0B,4Si[4]), is observed in hot compressed N‐BK7 and Boro33 from NMR and qualitatively confirmed in MD.
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