Sol–gel syntetyzowane szkło boranowe wapnia i szkło-ceramiki: wpływ domieszkowania CrCl3 na strukturę, właściwości mechaniczne i skuteczność osłony przed promieniowaniem gamma

Mocniejsze okna przeciw niewidzialnym promieniom

Współczesna medycyna i technologia jądrowa opierają się na silnych wiązkach promieni rentgenowskich i gamma, które jednocześnie stanowią zagrożenie dla pacjentów, personelu i sprzętu. Tradycyjne osłony często wykorzystują ciężki, toksyczny ołów lub masywny beton. W artykule opisano inne podejście: specjalnie zaprojektowane szkła i szkło-ceramiki, które mogą blokować szkodliwe promieniowanie, zachowując przy tym przejrzystość i dobry stan mechaniczny, co wskazuje na bezpieczniejsze przeszklenia, panele ochronne i okulary ochronne.

Projektowanie nowego rodzaju szkła ochronnego

Naukowcy skoncentrowali się na szkle boranowym wapnia, rodzinie materiałów cenionych już za klarowność optyczną i stabilność chemiczną. Zastosowali niskotemperaturową metodę sol–gel, by otrzymać szkła o składzie 55% tlenku wapnia i 45% tlenku boru, stopniowo zastępując część składnika borowego chlorkiem chromu(III) (CrCl₃) w ilościach do 3 mol%. Po utworzeniu żelu i wysuszeniu go do drobnego proszku materiał poddano obróbce cieplnej najpierw w 500 °C, a następnie w 700 °C, uzyskując formy szkła i szkło-ceramiki. Taki staranny proces pozwolił zbadać, jak obecność chromu i chloru wpływa na strukturę i właściwości bazowego szkła.

Od gładkiego szkła do wytrzymałej szkło-ceramiki

Aby zbadać strukturę wewnętrzną, zespół zastosował dyfrakcję rentgenowską i spektroskopię w podczerwieni. Przy 500 °C próbki pozostały w większości amorficzne, co jest typowe dla szkła. Podgrzewanie do 700 °C, szczególnie w obecności dodatku CrCl₃, wywołało wzrost drobnych obszarów krystalicznych boranu wapnia wewnątrz szkła. Obrazy mikroskopowe potwierdziły, że próbki bez domieszki miały gładsze, bardziej jednorodne powierzchnie, podczas gdy domieszkowane chromem wykazywały ostrzejsze, fasetowane cząstki osadzone w matrycy. Nowo utworzone kryształy, wraz ze zmianami w sieci boranowej, zwiększyły udział ściśle związanych tetraedrycznych jednostek budulcowych i sprawiły, że materiał był gęstszy i bardziej uporządkowany.

Gęstsze upakowanie atomów dla zwiększenia wytrzymałości

Pomiary wykazały, że dodatek CrCl₃ stopniowo zwiększał gęstość szkła z 2,57 do 3,11 g/cm³, jednocześnie zmniejszając objętości molową i wolną, co oznacza bardziej efektywne upakowanie atomów z mniejszą ilością pustej przestrzeni. Korzystając ze standardowego modelu teoretycznego elastyczności szkła, autorzy obliczyli, że kluczowe właściwości mechaniczne gwałtownie rosną wraz ze wzrostem zawartości chromu. Moduł Younga, miara sztywności, wzrósł z około 66 do 108 GPa, a moduły sprężystości objętościowej i postaciowej oraz mikrotwardość poprawiły się znacząco. Wartości współczynnika Poissona wskazywały na silnie sieciowane, mechanicznie stabilne tworzywo. Te trendy sugerują, że jednostki zawierające Cr i związane z nimi fazy krystaliczne „zamykają” strukturę w bardziej sztywną, wytrzymałą ramę.

Powstrzymywanie promieni gamma w cieńszej osłonie

Aby ocenić ochronę przed promieniowaniem, zespół wykorzystał specjalistyczne oprogramowanie do obliczenia interakcji szkła z fotonami w zakresie 0,015–15 MeV, obejmując typowe energie rentgenowskie i gamma stosowane w medycynie. Wraz ze wzrostem zawartości chromu współczynniki osłabiania masowego i liniowego rosły, szczególnie przy niższych energiach, gdzie dominuje absorpcja fotoelektryczna. Jednocześnie grubość połowicznego osłabienia, grubość dziesięciokrotnego osłabienia oraz droga swobodna skracały się: przy 0,04 MeV grubość połowicznego osłabienia spadła z 0,336 cm dla szkła bez domieszki do 0,252 cm w próbce o najwyższym domieszkowaniu. Mówiąc prościej, potrzeba mniej materiału, by zmniejszyć natężenie promieniowania o połowę. W porównaniu z wyspecjalizowanymi betonami i innymi szkłami boranowymi, kompozycja bogata w chrom wykazywała wyższe tłumienie i wymagała cieńszej osłony, zachowując jednocześnie formę szkła i potencjalną przezroczystość.

W kierunku przezroczystych osłon bez ołowiu

Podsumowując, badanie pokazuje, że wprowadzenie umiarkowanych ilości chlorku chromu do szkła boranowego wapnia może jednocześnie zwiększyć gęstość, wytrzymałość mechaniczną i zdolność blokowania promieni gamma. Najlepiej zachowujący się składnik, zawierający 3 mol% CrCl₃, łączy wysoką sztywność strukturalną z lepszą ochroną w porównaniu z kilkoma istniejącymi materiałami szklanymi i betonowymi. Dla barier o charakterze nienosnym, takich jak przeszklenia obserwacyjne, panele ochronne czy specjalistyczne okulary, te pozbawione ołowiu osłony na bazie szkła mogłyby stanowić lżejszą, bezpieczniejszą i bardziej wszechstronną alternatywę wobec tradycyjnych materiałów.

Cytowanie: Alsairy, N., Madshal, M.A. & Althbiti, A. Sol–gel synthesized calcium borate glass and glass–ceramics: effect of CrCl₃ doping on structure, mechanics, and gamma-ray shielding efficiency. Sci Rep 16, 10977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45812-7

Słowa kluczowe: szkło osłonowe przed promieniowaniem, ochrona przed promieniowaniem gamma, szkło boranowe, domieszkowanie chromem, szkło-ceramiki