Оксид меди настраивает многофункциональные свойства фторбариево‑боровых стекол для оптических, диэлектрических и защитных применений

Прозрачные щиты для невидимых угроз

Современные больницы, исследовательские лаборатории и атомные объекты опираются на массивные стены и тяжёлые окна, чтобы защитить людей от рентгеновских и гамма‑лучей. Традиционно для таких экранов использовали токсичный свинец. В этом исследовании изучается новая группа стекол с содержанием меди, которые потенциально могут выполнять ту же функцию более безопасно, оставаясь прозрачными и даже способными накапливать электрическую энергию. Эти фторбариево‑боровые стекла с добавкой меди (CFBB) спроектированы так, чтобы одновременно блокировать опасное излучение, выдерживать электрические поля и пропускать свет в полезных диапазонах.

Создание более безопасного типа стекла

Исследователи получили CFBB‑стекла путём плавления и быстрого охлаждения смеси оксида бора, оксида бария, фторида магния и очень малой добавки оксида меди. Меняя содержание меди от 0 до 0,5 моль%, они оценивали, какое количество меди сетка стекла способна принять, не потеряв структуру. Рентгеновская дифракция и инфракрасные измерения показали, что до примерно 0,3 моль% меди стекло остаётся полностью аморфным — атомы упорядочены так же, как в «замороженной» жидкости, с прочным каркасом из бор‑кислородных звеньев. Только при наивысшем содержании меди появляется резкий дифракционный пик, указывающий на начало образования мелких кристаллов и обозначающий практический предел вместимости меди в стеклянной матрице.

Пропускать свет и одновременно его поглощать

Оптические испытания показали, что эти стекла остаются прозрачными в видимом диапазоне, но активно взаимодействуют с ультрафиолетом. С добавлением меди материал сильнее поглощает в УФ‑области примерно между 200 и 350 нм — в диапазоне многих вредных длин волн — в то время как фундаментальная оптическая щель остаётся практически неизменной на уровне около 3,5–3,6 эВ. Это означает, что медь вводит локальные «ловушки», которые поглощают УФ‑излучение, не делая весь материал тёмным или мутным. На практике окно из такого стекла могло бы защищать глаза и приборы от агрессивного УФ‑излучения, оставаясь при этом прозрачным и нейтральным по цвету — ценное сочетание для смотровых окон и оптических устройств.

Тихая проводимость и накопление заряда

Те же небольшие добавки меди изменяют электрические свойства стекла. Измерения в широком диапазоне частот показывают, что материал переходит от отличного изолятора к слабо выраженному полупроводнику по мере увеличения содержания меди. Постоянная (DC) проводимость возрастает примерно на три порядка величины, главным образом за счёт перепрыгивания зарядов между медиными центрами и соседними ионами. На низких частотах стекло с наибольшим содержанием меди демонстрирует необычно высокую диэлектрическую проницаемость — около 700 — благодаря накоплению и переориентации зарядов в неупорядоченной сетке. Такой отклик обещает быть полезным для компонентов, предназначенных для накопления электрической энергии, сглаживания сигналов или взаимодействия с высокочастотными полями при сохранении оптической прозрачности.

Остановка гамма‑лучей на месте

Чтобы оценить способность этих стекол останавливать высокоэнергетические фотоны, авторы рассчитали ключевые параметры защиты: массовые и линейные коэффициенты ослабления, эффективный атомный номер, среднюю свободный путь и коэффициенты накопления в широком диапазоне энергий от 0,015 до 15 МэВ. Результаты показывают сильное ослабление при низких энергиях фотонов, обусловленное фотоэлектрическим поглощением, с постепенным переходом к доминированию комптон‑рассеяния по мере роста энергии. Увеличение содержания меди систематически улучшает экранирующие свойства: стекло с наивысшей долей меди имеет наибольшие коэффициенты ослабления, наименьшее расстояние, которое проходит фотон до взаимодействия, а также меньшие толщины для ослабления до половины и до одной десятой исходной интенсивности. Другими словами, более тонкие панели из этих стекол могут снизить интенсивность гамма‑излучения до безопасных уровней, делая их конкурентоспособными по отношению к традиционным свинцовым экранам.

Один материал — много задач

В совокупности результаты демонстрируют, что аккуратно подобранное содержание меди позволяет CFBB‑стеклам сочетать три желательных качества: прозрачную передачу видимого света с эффективной блокировкой УФ, настраиваемый электрический отклик с очень высокой низкочастотной диэлектрической проницаемостью и эффективную защиту от гамма‑лучей в безсвинцовой стекловой матрице. Работа также указывает практический предел содержания меди — около 0,3 моль% — после которого стекло начинает частично кристаллизоваться. Для неспециалистов вывод ясен: теперь можно представить себе оконоподобные материалы, которые позволяют видеть и измерять процессы внутри зон с высоким уровнем радиации, одновременно надёжно защищая людей и электронику без использования тяжёлого токсичного свинца.

Цитирование: Abdelghany, A.M., Ramadan, R.M. & Abdelbaky, M. Copper oxide tailors multifunctional properties of fluorobarioborate glasses for optical dielectric and shielding applications. Sci Rep 16, 10902 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38663-9

Ключевые слова: стекло для радиационной защиты, безсвинцовая защита от гамма‑излучения, медь легированное борное стекло, накопление диэлектрической энергии, прозрачная защита от УФ