透明陶瓷的“黃金搭檔”

鋅磷玻璃陶瓷（ZnO-P?O?-SeO?）近年來因優(yōu)異的耐熱性、絕緣性和生物相容性成為材料科學(xué)界的“明星”。這類材料既能用于骨科植入物促進(jìn)骨再生，又能作為光學(xué)元件和燃料電池的核心部件。然而，如何進(jìn)一步提升其機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能一直是技術(shù)瓶頸。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過引入金氧化物（Au?O?），材料內(nèi)部的金離子（Au3?）與納米金顆粒（Au?）的動(dòng)態(tài)平衡可能成為破局關(guān)鍵——前者增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性，后者則通過修飾網(wǎng)絡(luò)提升導(dǎo)電性。

看不見的“微觀戰(zhàn)場(chǎng)”

材料的性能由微觀結(jié)構(gòu)決定，但傳統(tǒng)檢測(cè)手段（如電子顯微鏡）難以精準(zhǔn)捕捉納米級(jí)缺陷（如孔洞、位錯(cuò)）的分布與演變。這些“看不見的缺陷”如何影響材料性能？如何通過調(diào)控成分優(yōu)化結(jié)構(gòu)？這成為材料設(shè)計(jì)的核心難題。

正電子湮沒技術(shù)——材料內(nèi)部的“納米探針”

國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)近期在《Radiation Physics and Chemistry》發(fā)表突破性研究，將正電子湮沒壽命譜技術(shù)（PALS）應(yīng)用于金摻雜鋅磷玻璃陶瓷的微觀分析。正電子作為電子的“反物質(zhì)兄弟”，進(jìn)入材料后會(huì)與電子湮滅并釋放γ射線。通過測(cè)量湮滅時(shí)間差和射線能量分布，科學(xué)家能像“探針”一樣精確繪制材料內(nèi)部的缺陷圖譜。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. Au?O?含量調(diào)控自由體積：當(dāng)金氧化物濃度從0.02%增至0.08%時(shí)，材料內(nèi)部自由空間（由Au?納米顆粒產(chǎn)生的微孔）顯著減少，歸因于Au3?離子與硒酸根（[SeO?]2?）的協(xié)同作用，使玻璃網(wǎng)絡(luò)更致密。

2. 性能優(yōu)化臨界點(diǎn)：含0.08% Au?O?的樣品（Au?）自由體積最小，機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性達(dá)到峰值，潛在應(yīng)用于防dan裝甲和精密電子封裝。

3. 導(dǎo)電性之謎破解：自由體積減少抑制了離子遷移，導(dǎo)致材料導(dǎo)電性下降，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)絕緣涂層提供了新思路。

如何捕捉“湮滅信號(hào)”？

研究團(tuán)隊(duì)使用鈉-22放射源發(fā)射正電子，通過高精度探測(cè)器（時(shí)間分辨率≤190皮秒）記錄湮滅事件。數(shù)據(jù)分析顯示，長(zhǎng)壽命成分（τ?）的強(qiáng)度（I?）與自由體積直接相關(guān)。通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，團(tuán)隊(duì)精確量化了納米孔洞的半徑（0.3-0.5納米）和體積占比，并驗(yàn)證了其與電學(xué)性能的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)應(yīng)用的跨越

這項(xiàng)研究不僅揭示了金摻雜玻璃陶瓷的“結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系，更展示了PALS技術(shù)在材料科學(xué)中的獨(dú)te價(jià)值：

· 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)：通過成分調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料性能“按需定制”；

· 無損檢測(cè)：無需破壞樣品即可獲取內(nèi)部缺陷信息；

· 應(yīng)用拓展：高致密材料可用于防dan裝甲、耐磨涂層，而可控自由體積的設(shè)計(jì)為開發(fā)新型電解質(zhì)和氣體分離膜指明方向。

國(guó)產(chǎn)儀器助力材料研究

安徽核芯電子科技有限公司推出的DPLS-4000系列正電子湮沒譜儀，正是實(shí)現(xiàn)此類研究的“利器”。其核心優(yōu)勢(shì)包括：

· 超高分辨率：時(shí)間分辨率≤190皮秒，可檢測(cè)亞納米級(jí)缺陷；

· 一鍵測(cè)量：AI算法自動(dòng)校準(zhǔn)，大幅降低操作門檻；

· 多場(chǎng)景適配：基礎(chǔ)款DPLS-4000適合常規(guī)研究，而DPLS-4000 Max憑借多探頭設(shè)計(jì)，將檢測(cè)效率提升10倍，15分鐘即可完成單樣品分析。

微觀世界的“智慧地圖”

隨著正電子探測(cè)技術(shù)與人工智能的結(jié)合，材料科學(xué)家有望繪制更精細(xì)的“缺陷地圖”，推動(dòng)從航空航天到生物醫(yī)療的跨界創(chuàng)新。這項(xiàng)研究不僅為高性能陶瓷開發(fā)打開新窗口，更彰顯了基礎(chǔ)科學(xué)工具在工業(yè)升級(jí)中的核心價(jià)值。

KOTI REDDY G N, KOSTRZEWA M, SEKHAR A V, 等, 2025. Probing free volume in ZnO–P2O5–SeO2:Au2O3 glass ceramics with positron annihilation lifetime spectroscopy[J/OL]. Radiation Physics and Chemistry, 230: 112585.