玻璃上的划痕或凹痕会影响其美观，但那些肉眼看不见的纳米级缺陷又如何呢？这些纳米级缺陷是由微小异物撞击玻璃表面产生的，会导致玻璃机械性能和技术应用性能的下降。

需要了解这种损伤的影响，宾夕法尼亚州立大学的研究人员首次利用光谱法揭示了纳米级磨损和损伤对硅玻璃造成的地下变化。

玻璃表面科学

研究团队以大猩猩玻璃为例，说明纳米压痕或瑕疵会改变材料的性质。这种玻璃常用于手机等电子产品的显示屏玻璃，最近也用于汽车和飞机的挡风玻璃。出厂时，这种玻璃非常坚固，但到达制造商手中时，其强度就会降低。

宾夕法尼亚州立大学化学工程杰出教授 Seong Kim 研究玻璃表面科学。他解释说，他的研究小组“主要关注玻璃的性能、结构以及机械和化学性能之间的关系，尤其是机械耐久性和化学耐久性”。

Kim 和他的团队一直在使用的技术之一是振动光谱法，“但玻璃表面纳米级结构分析的挑战在于，人们广泛使用的许多光谱技术在这里不起作用， ”Kim 说。

例如，红外光谱可以检测表面缺陷，但检测范围有限；任何小于10微米（低于红外光谱波长）的缺陷都无法进行适当的分析或成像。拉曼光谱在玻璃研究领域应用更为广泛，其空间分辨率更高，但在结构分析方面仍不够理想。

新型光谱技术

因此，Kim和他的研究小组开发了一种光谱技术，能够确定石英玻璃表面纳米级凹痕周围发生的结构变化。他们利用纳米级红外光谱和反应分子动力学模拟来研究这些表面下的变化。

研究团队用一个微小的尖端在玻璃表面压出几百纳米深、一到两微米宽的纳米压痕。“由于压痕的最大尺寸只有几微米，我们需要一种高度空间分辨的红外光谱技术来表征它，” Kim解释说。

他们采用了一种称为高光谱近场光学映射的新仪器技术，该技术既提供光谱分辨率，又提供高空间分辨率，并利用散射扫描近场光学显微镜。

“直到最近，像 Seong 这样的研究要么是间接的（因为你无法真正对纳米尺度上发生的微小事件进行成像），要么会触及原子或分子等物理事物，但不会触及光学特性，”实施这项新技术的宾夕法尼亚州立大学前沿工程科学与力学教授 Slava V. Rotkin 解释道。

因此，我们的仪器非常独特，因为它可以让你在极小的尺度上进行光学研究，这在过去是不可能实现的。”

斯拉瓦·V·罗特金（Slava V. Rotkin），宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学前沿教授

研究表明，二氧化硅内部的硅氧键长分布在缺陷周围被拉长。这意味着硅氧键在凹痕周围比在原始区域略长，并且伴随分子体积的减小。研究人员认为，这表明亚埃级（即低于0.1纳米）的化学可塑性。

这项新的光谱技术可以识别玻璃中一些最细微的缺陷。该团队希望，发表在《Acta Materialia》上的研究成果能够改善日常生活中广泛使用的玻璃产品，例如电子显示屏和汽车挡风玻璃。