稀土磷酸盐玻璃的局域结构研究取得进展

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文章导读

你是否想过，稀土玻璃的性能瓶颈竟源于原子世界的排列谜题？中科院团队首次在原子尺度上揭开了稀土离子聚集的微观秘密。通过突破性的固态核磁共振技术，研究精准捕捉到Sc³⁺离子的六配位结构及其自组织规律，破解了传统光谱手段无法探测的局域构型难题。这项发现不仅揭示了稀土离子在玻璃网络中的聚集机制，更为设计高性能光学材料提供了关键理论支撑——或许下一代激光器的突破，就藏在这5.5埃的微观世界里。

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近期，中国科学院上海光学精密机械研究所在稀土磷酸盐玻璃局域结构方面取得进展。研究团队在原子尺度上解析了Sc³⁺离子的特征配位结构，阐明了其局域聚集机制，为理解稀土掺杂功能玻璃的构效关系及性能优化提供了更深刻的理论依据。

稀土掺杂玻璃材料的光学与热力学稳定性，依赖稀土离子的局部配位环境和空间分布。以往研究采用光谱分析、拉曼、中子散射等手段来探讨稀土离子在玻璃网络中的配位状态，但这些手段难以精准分辨并定量解析稀土离子的多种局域构型。同时，顺次性稀土离子难以通过固态核磁共振进行有效探测，限制了对稀土离子与玻璃网络连接机制及其结构演化规律的理解。这些局限使得稀土离子的局部有序性和网络修饰机制缺乏系统研究。

研究选取无顺磁性且具优异固态核磁共振响应特征的Sc³⁺为模型离子，以模拟小半径重稀土离子在磷酸盐玻璃中的结构行为。研究进一步通过多维固态核磁共振技术，解析Sc₂O₃-xKPO₃玻璃中³¹P、⁴⁵Sc与³⁹K的局域结构，揭示了Sc³⁺的配位特性与聚集规律。结果表明，Sc³⁺在玻璃网络中完全呈现六配位态，并以共顶形式连接六个磷氧四面体[PO₄]。研究确认了稀土磷酸盐玻璃的局域结构研究取得进展结构单元，并对鉴定出的9种单元进行定量分析。基于电荷、键数与空间分布概率的计算发现，Sc³⁺在5.5 Å范围内存在聚集倾向。同时，研究据此构建其原子尺度的聚集模型。这一原子尺度模型揭示了稀土离子聚集的微观机理，为理解和调控磷酸盐玻璃的光学与热学性能奠定了基础，并有望指导材料设计以规避相分离风险。