محققان با استفاده از میکروسکوپ نوری نزدیک میدان شرکت نیسپک و روش نگاشت نوری میدان نزدیک با طیف وسیع موفق به تشخیص آسیب‌های سطح شیشه در مقیاس نانومتری شدند.
ابزاری برای تشخیص آسیب‌های سطح شیشه در مقیاس نانو
روش طیف‌سنجی جدیدی که ارائه شده، نقایص ریز موجود در شیشه را نشان می‌دهد که با این کار می‌توان شیشه‌ای با دوام بیشتر تولید کرد. با نگاشت نوری میدان نزدیک با طیف وسیع، یک پرتو نور مادون قرمز می‌تواند نقص و آسیب را در سطح نانو نشان دهد.
برای اولین بار، تغییرات ساختاری سطح شیشه به‌دلیل سایش و آسیب در مقیاس نانو، از طریق طیف‌سنجی مشخص شد که ممکن است منجر به بهبود محصولات شیشه‌ای مانند نمایشگرهای الکترونیکی و شیشه‌های جلوی خودرو شود.
سونگ کیم، استاد برجسته شیمی در ایالت پنسیلوانیا می‌گوید: «یکی از زمینه‌های اصلی تحقیق در گروه من، علم سطح شیشه است، که عمدتا رابطه بین خاصیت، ساختار شیشه و خواص مکانیکی و شیمیایی، به ویژه دوام مکانیکی و دوام شیمیایی است»
وی می‌گوید: «یکی از روش‌هایی که ما از آن استفاده کرده‌ایم طیف‌سنجی ارتعاشی است. اما چالش تجزیه و تحلیل ساختاری در مقیاس نانو سطح شیشه این است که بسیاری از روش‌های طیف‌سنجی که مردم به‌طور گسترده استفاده می‌کنند در اینجا کار نمی‌کنند.»
طیف‌سنجی مادون قرمز می‌تواند نقص سطح را فقط تا حدی تشخیص دهد. اگر نوع نقصی که در سطح شیشه ایجاد می‌شود کوچکتر از ۱۰ میکرون باشد که کمتر از طول موج ۱۰ میکرونی طیف‌سنجی مادون قرمز است، پس نمی‌توان به درستی آنالیز یا تصویرسازی کرد. روش‌های تجزیه و تحلیل مانند طیف‌سنجی رامان که در جامعه تحقیقاتی شیشه استفاده می‌شود از نظر تفکیک فضایی بهتر عمل می‌کند، اما هنوز برای تحلیل ساختاری در مقیاس نانو کافی نیست.
تیم کیم می‌خواست روشی را ارائه کند که دریابد چه نوع تغییر ساختاری در اطراف تورفتگی‌های نانویی در سطح شیشه ایجاد می‌شود. به‌عنوان بخشی از این مطالعه، آن‌ها سطح شیشه را با یک نوک کوچک خراشیدند که می‌تواند نانو فرورفتگی‌هایی به عمق چند صد نانومتر و عرض یک یا دو میکرون ایجاد کند. یافتن اینکه چه نوع تغییرات ساختاری حتی در مقادیر ناچیز آسیب اتفاق می‌افتد از اهمیت زیادی برخوردار است؛ زیرا این نقص‌های بی‌نهایت کوچک می‌توانند بر مقاومت شیشه تأثیر بگذارند.
به گفته محققان، نمونه‌ای از آن Gorilla Glass است که توسط کورنینگ (Corning Inc) به‌عنوان شیشه نمایشگر برای وسایل الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و اخیراً برای شیشه‌های اتومبیل و هواپیما تولید شده است. این شیشه‌ها هنگام خروج از کارخانه فوق‌العاده مستحکم هستند، اما تا زمانی‌که به تولیدکنندگان برسد، شیشه ضعیف‌تر می‌شود و این به‌دلیل خراش‌های ریز و آسیب‌های دیگر در هنگام تماس‌های فیزیکی حاصل از حمل و نقل تماس کاغذ، لرزش در یک کامیون، نشستن در بسته‌بندی و آسیب هنگام تخلیه است. نقص ممکن است قابل مشاهده نباشد، اما برای ضعیف شدن شیشه کافی است.
بنابراین؛ چگونه می‌توان چنین آسیب ساختاری نامرئی را توصیف کرد؟
وقتی تیم کیم فرورفتگی‌های بسیار کوچک خود را درون شیشه ایجاد کرد، آن‌ها می‌خواستند ببینند که به دلیل آسیب رسیدن به شیشه، چه نوع تغییر ساختاری در داخل و اطراف تورفتگی رخ داده است.
کیم گفت: «از آنجا که حداکثر اندازه دندانه‌ها فقط چند میکرون بود، ما برای تعیین مشخصات این مسئله، نیاز به یک روش طیف‌سنجی مادون قرمز داشتیم.»
برای غلبه بر این چالش و «دیدن» آسیب به شیشه از یک روش دقیق جدید استفاده کردند که به‌عنوان «نقشه‌برداری نوری میدان نزدیک طیف وسیع» شناخته می‌شود. این روش هم تفکیک طیفی نوری و هم تفکیک‌پذیری زیاد فضایی را ارائه می‌دهد و از میکروسکوپ نوری نزدیک میدان شرکت Neaspec GmpH، یک شرکت ابزار تصویربرداری و طیف‌سنجی در مقیاس نانو در آلمان استفاده می‌کند.
آن‌ها موفق شدند با استفاده از این روش، مشخصه‌یابی سطح شیشه را در مقیاس نانومتری انجام دهند و اطلاعات جالب توجهی از آسیب‌های سطحی در شیشه ارائه دهند.
