新掺钇与钕的锂锌磷酸盐玻璃的结构、力学、电学与辐射屏蔽特性

面向高辐射环境的防护玻璃

现代医院、研究实验室和核设施都需要能够在不牺牲透明性或强度的前提下安全阻挡有害辐射的材料。本研究考察了一种新型特种玻璃，通过在原子层面掺入稀土元素来调整其性能，以评估其在更好吸收辐射的同时是否也能变得更坚韧并对电场更敏感。研究显示，配方中的细微变化——用更重的元素钇替代部分组分——会微妙地重组玻璃结构，并同时改善若干实用性能。

改良玻璃配方的构建

研究人员以以磷和氧为主的基础玻璃（磷酸盐玻璃）为起点，混合锂、锌、铋及少量钕——一种已在激光器中使用的发光稀土离子。在此体系中逐步加入不同含量的氧化钇。每一批样品都在高温炉中熔融后迅速冷却（淬火），以在晶体形成前固定成玻璃。通过比较四种不同钇含量的样品，团队观察到这一单一变量如何影响结构、密度、力学强度、电学行为以及对高能辐射的阻挡能力。

玻璃内部发生了什么

在微观尺度上，普通磷酸盐玻璃由角连接的四面体单元构成——这些类似小金字塔的构件连接成链和网络。通过红外光谱，作者跟踪了随着钇加入这些构件如何发生变化。他们发现钇破坏了部分原有连接并形成新的钇—氧键，导致网络中出现更多“松端”。这些非桥连氧位点和新形成的键增加了结构无序性，但也使网络更紧密。测量证实，随着较轻的磷丰富单元被更重的氧化钇取代，密度稳步上升，形成更致密、更有凝聚力的玻璃。

电学行为与力学强度

内部网络的改变也影响玻璃对电场的响应。当在宽频率范围施加交流电压时，玻璃储存电能的能力——相对介电常数——在低频时较高，随场振荡加快而下降。随着钇含量增加，介电常数与电导率总体上都升高，表明新产生的氧“松端”和重排后的网络为锂等可动离子提供了更便捷的迁移通道。与此同时，计算得到的力学参数显示玻璃变得更为刚性：杨氏模量、体积模量和剪切模量均随钇含量上升。从实际角度看，玻璃对压缩、拉伸和剪切的抵抗能力增强，尽管其硬度仅发生轻微变化。

阻挡X射线与中子

由于钇原子比磷重，其存在也会影响玻璃与高能光子和快中子的相互作用。团队计算了一个有效原子序数，这一量与材料对辐射的吸收强度相关，覆盖了从医学X射线能量到核技术相关能量的光子范围。该值在非常低的光子能量时最高，在散射占主导的中等能段出现下降，然后在最高能量段再次上升。加入钇使有效原子序数在所有能量下都有所上升，并在光子和中子屏蔽方面带来小但持续的改进。在某些情况下，该玻璃的性能可与普通建筑材料如混凝土相媲美或更优，且接近商用屏蔽玻璃的性能。

这种玻璃的重要性

总体而言，研究表明，谨慎地在锂—锌—磷酸盐玻璃中引入钇，可制得密度更高、力学更强、对电场响应更灵敏且对辐射吸收略有提升的材料。对非专业读者而言，结论是“定制”玻璃可以像合金一样被调谐：通过替换特定元素，科学家可以用更重、更紧密连接的结构取代相对开放且轻质的网络，从而既能阻挡辐射，又能满足机械和电学需求。这类玻璃未来有望用于需要在保持可见性和耐用性的同时保护人员与仪器免受强辐射的窗户、视窗与构件中。

引用: 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

关键词: 辐射屏蔽玻璃, 掺钇磷酸盐, 稀土材料, 介电特性, 力学强度