Кальциево-боросиликатное стекло и стеклокерамика, синтезированные методом сол–гель: влияние легирования CrCl3 на структуру, механические свойства и эффективность защиты от гамма‑излучения

Более прочные окна против невидимых лучей

Современная медицина и ядерные технологии опираются на мощные пучки рентгеновских и гамма‑лучей, которые одновременно представляют риск для пациентов, персонала и оборудования. Традиционные экраны часто используют тяжёлый и токсичный свинец или громоздкий бетон. В этой работе рассматривается другой подход: специально разработанные стекла и стеклокерамика, способные блокировать вредное излучение, оставаясь при этом прозрачными и механически прочными — перспективное решение для безопасных смотровых окон, защитных экранов и очков.

Создание нового типа защитного стекла

Исследователи сосредоточились на кальциево‑борном стекле — семействе материалов, уже ценимых за оптическую прозрачность и химическую стабильность. Они использовали низкотемпературный сол–гельный метод для получения стекол с рецептурой 55% оксида кальция и 45% оксида бора, постепенно заменяя часть бора хлоридом хрома(III) (CrCl₃) в концентрациях до 3 мол.%. После формирования геля и высушивания в тонкий порошок материал термически обрабатывали сначала при 500 °C, затем при 700 °C, чтобы получить как стекло, так и стеклокерамические формы. Такое тщательное протекание процессов позволило проследить, как хром и хлор меняют структуру и свойства базового стекла.

От гладкого стекла к прочному стеклокерамическому материалу

Для исследования внутренней структуры команда использовала рентгеновскую дифракцию и инфракрасную спектроскопию. При 500 °C образцы в основном оставались аморфными, как и подобает стеклу. Нагрев до 700 °C, особенно при добавлении CrCl₃, вызвал рост мелких кристаллических областей кальциево‑борного состава внутри стекла. Микроскопические изображения подтвердили, что недопированные образцы имели более гладкие и однородные поверхности, тогда как легированные хромом образцы демонстрировали более резкие, фасеточные частицы, внедрённые в матрицу. Эти вновь образованные кристаллы в сочетании с изменениями в борной сети увеличили долю жёстко связанных тетраэдрических строительных блоков и сделали материал более плотным и упорядоченным.

Плотная укладка атомов для повышения прочности

Измерения показали, что добавление CrCl₃ заметно увеличивало плотность стекла с 2,57 до 3,11 г/см³ при одновременном сокращении молярного и свободного объёмов, что указывает на более эффективную упаковку атомов с меньшим количеством пустот. С применением стандартной теоретической модели упругости стекла авторы рассчитали, что ключевые механические характеристики резко возрастают с увеличением содержания хрома. Модуль Юнга, как мера жёсткости, поднялся примерно с 66 до 108 ГПа, при этом объёмный и сдвиговый модули и микро твёрдость также существенно улучшились. Значения коэффициента Пуассона указывали на высоко сшитую, механически устойчивую сеть. В целом эти тенденции свидетельствуют о том, что хромсодержащие фрагменты и сопутствующие кристаллические фазы «фиксируют» структуру, делая её более жёсткой и прочной.

Остановка гамма‑лучей в более тонком экране

Для оценки радиационной защиты команда использовала специализированное программное обеспечение для расчёта взаимодействия стекол с фотонами в диапазоне от 0,015 до 15 МэВ, охватывающем типичные энергии медицинских рентгеновских и гамма‑лучей. С ростом содержания хрома массы и линейные коэффициенты ослабления увеличивались, особенно на низких энергиях, где доминирует фотоэлектрическое поглощение. Одновременно слои полурассеивающего ослабления (half‑value layer), десятикратного ослабления (tenth‑value layer) и средняя длина свободного пробега уменьшались: при 0,04 МэВ слой полурассеивающего ослабления снизился с 0,336 см для недопированного образца до 0,252 см для образца с наибольшим содержанием легирования. Проще говоря, требуется меньше материала, чтобы сократить интенсивность излучения вдвое. В сравнении со специализированными типами бетона и другими борными стеклами композиция с высоким содержанием хрома обеспечивала более высокое ослабление и требовала более тонкого экрана, оставаясь при этом в стекловидной форме и потенциально прозрачной.

К экранам без свинца и с прозрачностью

В целом исследование показывает, что введение умеренных количеств хлоридa хрома в кальциево‑борное стекло может одновременно повысить плотность, механическую прочность и способность блокировать гамма‑излучение. Наиболее эффективная композиция с 3 мол.% CrCl₃ сочетает высокую структурную жёсткость с превосходной защитой по сравнению с рядом существующих стеклянных и бетонных материалов. Для неструктурных преград, таких как смотровые окна, защитные панели или специализированные очки, эти безсвинцовые стеклянные экраны могут предложить более лёгкую, безопасную и универсальную альтернативу традиционным материалам.

Цитирование: 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

Ключевые слова: стекло для радиационной защиты, защита от гамма‑лучей, борное стекло, легирование хромом, стеклокерамика