Структурные, механические, электрические свойства и свойства по экранированию радиации новых литий-цинк-фосфатных стёкол, легированных иттрием и неодимом

Защитное стекло для мира с высоким уровнем радиации

Современным больницам, исследовательским лабораториям и ядерным объектам требуются материалы, которые надёжно останавливают вредную радиацию, не жертвуя прозрачностью и прочностью. В этом исследовании рассматривается новый вид специального стекла, модифицированного на атомном уровне редкоземельными элементами, чтобы выяснить, может ли оно лучше поглощать излучение, одновременно становясь прочнее и более электрически отзывчивым. Работа показывает, как небольшие изменения рецептуры — замена на более тяжёлый элемент иттрий — тонко перестраивают структуру стекла и одновременно улучшают несколько полезных свойств.

Создание улучшенного рецепта стекла

Исследователи начали с базового стекла, в основном состоящего из фосфора и кислорода (фосфатное стекло), в сочетании с литием, цинком, висмутом и малой дозой неодима — редкоземельного иона, излучающего свет и уже применяемого в лазерах. В эту смесь они постепенно вводили увеличивающиеся количества оксида иттрия. Каждую партию плавили в очень горячей печи, а затем быстро охлаждали, «закаливали», чтобы зафиксировать стеклообразное состояние до образования кристаллов. Сравнивая образцы с четырьмя уровнями содержания иттрия, команда проследила, как одно изменение влияет на структуру, плотность, прочность, электрические свойства и способность задерживать высокоэнергетическое излучение.

Что происходит внутри стекла

На микроскопическом уровне обычное фосфатное стекло состоит из тетраэдрически связанных блоков — небольших пирамидоподобных звеньев, соединённых в цепочки и сети. С помощью инфракрасной спектроскопии авторы отслеживали, как эти блоки смещаются при добавлении иттрия. Они обнаружили, что иттий разрушает часть исходных связей и образует новые связи итрий–кислород, создавая больше «свободных концов» в сети. Эти нехорошо связанные кислородные сайты и новые связи увеличивают структурный беспорядок, но при этом уплотняют сеть. Измерения подтвердили, что плотность растёт по мере замены лёгких фосфорсодержащих звеньев на более тяжёлый оксид иттрия, что приводит к более компактному, сплочённому стеклу.

Электрическое поведение и механическая прочность

Изменённая внутренняя сеть также меняет отклик стекла на электрические поля. При приложении переменного напряжения в широком диапазоне частот способность стекла запасать электрическую энергию — его относительная диэлектрическая проницаемость — высока на низких частотах и снижается по мере увеличения частоты поля. С увеличением доли иттрия как диэлектрическая проницаемость, так и электрическая проводимость в целом возрастает, что указывает на то, что появившиеся «свободные концы» кислорода и перестроенная сеть обеспечивают более лёгкие пути для подвижных ионов, таких как литий. Одновременно рассчитанные механические параметры показывают, что стекло становится более жёстким: модуль Юнга, объёмный модуль и модуль сдвига повышаются с ростом содержания иттрия. На практике это означает, что стекло эффективнее сопротивляется сжатию, растяжению и сдвигу, хотя его твердость меняется лишь незначительно.

Остановка рентгеновских лучей и нейтронов

Поскольку атомы иттрия тяжелее фосфора, их присутствие также влияет на взаимодействие стекла с высокоэнергетическими фотонами и быстрыми нейтронами. Команда рассчитала эффективный атомный номер — величину, связанную со способностью материала поглощать излучение — для фотонов в диапазоне энергий от медицинских уровней рентгеновского излучения до энергий, актуальных для ядерных технологий. Это значение максимально при очень низких энергиях фотонов, уменьшается в среднем диапазоне, где доминирует рассеяние, и снова растёт на самых высоких энергиях. Добавление иттрия сдвигает эффективный атомный номер вверх на всех энергиях и обеспечивает небольшое, но стабильное улучшение как для поглощения фотонов, так и для нейтронной защиты. В некоторых случаях такое стекло показывает результаты, сравнимые или лучшие, чем у обычных строительных материалов, таких как бетон, и приближается к характеристикам коммерческих защитных стёкол.

Почему это стекло важно

В целом исследование показывает, что осторожное введение иттрия в литий-цинк-фосфатное стекло создаёт более плотный, механически прочный и более электрически отзывчивый материал, который также немного эффективнее поглощает радиацию. Для неспециалиста вывод таков: «дизайнерское» стекло можно настраивать как сплав — путём замены конкретных элементов учёные могут обменять относительно открытую, лёгкую сеть на более тяжёлую, более связанную структуру, которая и блокирует радиацию, и выдерживает механические и электрические нагрузки. Такие стёкла в будущем могут улучшить окна, смотровые окна и компоненты в средах, где люди и приборы должны быть защищены от интенсивного излучения, не теряя при этом видимости и долговечности.

Цитирование: Alharshan, G.A., Shaaban, S.M., Elsad, R. et al. The structural, mechanical, electrical, and radiation-shielding properties of newly yttrium and neodymium-doped lithium-zinc-phosphate glasses. Sci Rep 16, 7971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36616-w

Ключевые слова: стекло для радиационной защиты, фосфат, легированный иттрием, редкоземельные материалы, диэлектрические свойства, механическая прочность