氧化铜调控氟化钡硼酸盐玻璃的多功能特性，用于光学、电介质与屏蔽应用

为看不见的危险建造透明防护

现代医院、科研实验室和核设施依靠厚重的墙体和窗户阻挡X射线与伽玛射线对人员的伤害。传统上，这些防护材料含有有毒铅。该研究探索了一类含铜的新型玻璃，能够更安全地完成同样的任务，同时保持透明并具备电能存储能力。这些铜氟化钡硼酸盐（CFBB）玻璃旨在同时阻挡有害辐射、承受电场并以有用的方式传输光。

构筑更安全的玻璃类型

研究人员通过熔融并快速冷却一混合物——硼氧化物、氧化钡、氟化镁以及极少量的氧化铜——制备了CFBB玻璃。通过将铜含量从0变到0.5摩尔百分比，他们考察了玻璃网络在不破坏结构的情况下能接受多少铜。X射线衍射和红外测量表明，在约0.3摩尔％铜以下，玻璃保持完全非晶态——原子像凝固的液体那样无序，骨架由硼-氧单元稳定构成。只有在最高铜含量时出现尖锐的衍射峰，表明细小晶体开始形成，并标志着网络可容纳铜的实际上限。

在透光的同时控制光线

光学测试显示，这些玻璃在可见光范围内保持透明，但与紫外光有强烈相互作用。随着铜的加入，玻璃在约200到350纳米的紫外区吸收增强，而光学带隙基本保持在约3.5–3.6电子伏特不变。这意味着铜引入了局部的“陷阱”，可吸收紫外而不会让整体材料变暗或混浊。在实际应用中，用该玻璃制成的窗可以保护眼睛和仪器免受强烈紫外线，同时仍显得清晰且无显著色偏，这对于防护视窗和光学装置非常有价值。

悄然导电并储存电荷

微量铜的加入也改变了玻璃的电学行为。跨越宽频率范围的测量显示，随着铜含量增加，材料从优良绝缘体逐步转向弱半导体。直流电导率大约提高了三个数量级，主要通过电子在铜位点与相邻离子间的跳迁实现。在低频区域，铜含量最高的玻璃表现出异常高的介电常数——约700——这源于电荷在无序网络中积聚和重新取向的方式。这类响应对需要存储电能、平滑信号或与高频场相互作用而又需保持光学透明的元件具有吸引力。

有效拦截伽玛射线

为了评估这些玻璃对高能光子的阻挡能力，研究团队计算了从0.015到15 MeV广泛能量范围内的关键屏蔽参数，如质量与线性衰减系数、有效原子序数、平均自由程以及累积因子。结果显示在低能光子区以光电吸收主导的强衰减，随着能量增加性能逐渐转为由康普顿散射主导。提高铜含量系统性地改善了屏蔽性能：铜含量最高的玻璃具有最大的衰减系数、光子在相互作用前传播的最短距离以及最小的半值层和十分之一值层。换言之，这类玻璃制成的更薄面板就能将伽玛射线强度降低到安全水平，使其在与传统含铅防护材料竞争时具备优势。

一种材料，多种用途

综述来看，研究表明经精确调控的铜含量使CFBB玻璃能够兼具三项理想特性：在可见光下保持清晰透射且强效阻挡紫外线、可调的电学响应并在低频表现出很高的介电常数，以及在无铅玻璃基质中实现有效的伽玛射线屏蔽。研究还指出了约0.3摩尔％的实用铜含量上限，超出后玻璃开始部分结晶。对非专业读者而言，结论很直白：现在可以设想出类似窗户的材料，它们能让我们在辐射丰富的环境中观察和测量内部情况，同时在不依赖厚重有毒铅的情况下，悄然保护人员和电子设备。

引用: 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

关键词: 辐射防护玻璃, 无铅伽玛防护, 掺铜硼酸盐玻璃, 电介质能量存储, 透明紫外屏蔽