透明陶瓷的“黃金搭檔”

鋅磷玻璃陶瓷（ZnO-P?O?-SeO?）近年來因優異的耐熱性、絕緣性和生物相容性成為材料科學界的“明星”。這類材料既能用于骨科植入物促進骨再生，又能作為光學元件和燃料電池的核心部件。然而，如何進一步提升其機械強度和導電性能一直是技術瓶頸。科學家發現，通過引入金氧化物（Au?O?），材料內部的金離子（Au3?）與納米金顆粒（Au?）的動態平衡可能成為破局關鍵——前者增強結構剛性，后者則通過修飾網絡提升導電性。

看不見的“微觀戰場”

材料的性能由微觀結構決定，但傳統檢測手段（如電子顯微鏡）難以精準捕捉納米級缺陷（如孔洞、位錯）的分布與演變。這些“看不見的缺陷”如何影響材料性能？如何通過調控成分優化結構？這成為材料設計的核心難題。

正電子湮沒技術——材料內部的“納米探針”

國際聯合團隊近期在《Radiation Physics and Chemistry》發表突破性研究，將正電子湮沒壽命譜技術（PALS）應用于金摻雜鋅磷玻璃陶瓷的微觀分析。正電子作為電子的“反物質兄弟”，進入材料后會與電子湮滅并釋放γ射線。通過測量湮滅時間差和射線能量分布，科學家能像“探針”一樣精確繪制材料內部的缺陷圖譜。

關鍵發現

1. Au?O?含量調控自由體積：當金氧化物濃度從0.02%增至0.08%時，材料內部自由空間（由Au?納米顆粒產生的微孔）顯著減少，歸因于Au3?離子與硒酸根（[SeO?]2?）的協同作用，使玻璃網絡更致密。

2. 性能優化臨界點：含0.08% Au?O?的樣品（Au?）自由體積最小，機械強度與耐磨性達到峰值，潛在應用于防dan裝甲和精密電子封裝。

3. 導電性之謎破解：自由體積減少抑制了離子遷移，導致材料導電性下降，這一發現為設計絕緣涂層提供了新思路。

如何捕捉“湮滅信號”？

研究團隊使用鈉-22放射源發射正電子，通過高精度探測器（時間分辨率≤190皮秒）記錄湮滅事件。數據分析顯示，長壽命成分（τ?）的強度（I?）與自由體積直接相關。通過數學模型計算，團隊精確量化了納米孔洞的半徑（0.3-0.5納米）和體積占比，并驗證了其與電學性能的強關聯。

從實驗室到工業應用的跨越

這項研究不僅揭示了金摻雜玻璃陶瓷的“結構-性能”關系，更展示了PALS技術在材料科學中的獨te價值：

· 精準設計：通過成分調控實現材料性能“按需定制”；

· 無損檢測：無需破壞樣品即可獲取內部缺陷信息；

· 應用拓展：高致密材料可用于防dan裝甲、耐磨涂層，而可控自由體積的設計為開發新型電解質和氣體分離膜指明方向。

國產儀器助力材料研究

安徽核芯電子科技有限公司推出的DPLS-4000系列正電子湮沒譜儀，正是實現此類研究的“利器”。其核心優勢包括：

· 超高分辨率：時間分辨率≤190皮秒，可檢測亞納米級缺陷；

· 一鍵測量：AI算法自動校準，大幅降低操作門檻；

· 多場景適配：基礎款DPLS-4000適合常規研究，而DPLS-4000 Max憑借多探頭設計，將檢測效率提升10倍，15分鐘即可完成單樣品分析。

微觀世界的“智慧地圖”

隨著正電子探測技術與人工智能的結合，材料科學家有望繪制更精細的“缺陷地圖”，推動從航空航天到生物醫療的跨界創新。這項研究不僅為高性能陶瓷開發打開新窗口，更彰顯了基礎科學工具在工業升級中的核心價值。

KOTI REDDY G N, KOSTRZEWA M, SEKHAR A V, 等, 2025. Probing free volume in ZnO–P2O5–SeO2:Au2O3 glass ceramics with positron annihilation lifetime spectroscopy[J/OL]. Radiation Physics and Chemistry, 230: 112585.