Understanding the Glass Transition of Zeolitic Imidazolate Framework Glasses by Physical Aging Experiments
Author
Thomsen, Frederik Bols
Term
4. Term
Education
Publication year
2023
Submitted on
2023-12-21
Pages
96
Abstract
This thesis investigates what happens when two ZIF glasses (ZIF-62 and ZIF-4) pass through the glass transition—the temperature range where a rigid glass becomes softer and more mobile. The mechanism was studied by physically aging the glasses and tracking their calorimetric response (heat flow) using differential scanning calorimetry (DSC). First, the successful synthesis of crystalline ZIF-62 and ZIF-4 was confirmed with X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance (NMR), providing a basis for analyzing the aged glasses. Aging experiments from 6 minutes to 32 hours on the ZIF samples, compared with an oxide glass and a polymeric glass, highlighted short-range disorder and changes that are characteristic of ZIF glasses. The dynamic nature of the linkers (the connections between building units) was further supported by ball milling ZIF-62 and cooling the milled sample to 150 K (about −123 °C). Overall, data from the aging experiments were used to disentangle the underlying processes of the glass transition, revealing a clear signature of short-range structural rearrangements in these glassy materials.
Dette speciale undersøger, hvad der sker, når to ZIF-glas (ZIF-62 og ZIF-4) gennemgår glasovergangen—det temperaturområde, hvor et stift glas bliver blødere og mere mobilt. Mekanismen blev undersøgt ved fysisk aldring af glassene og ved at måle deres kalorimetriske respons (varmeflow) med differential scanning kalorimetri (DSC). Indledningsvis blev den vellykkede syntese af krystallinsk ZIF-62 og ZIF-4 bekræftet med røntgendiffraktion (XRD), infrarød spektroskopi (IR) og nuklear magnetisk resonans (NMR), hvilket gav grundlag for den efterfølgende analyse af de fysisk aldrende glas. Aldringsforsøg fra 6 minutter til 32 timer på ZIF-prøverne, sammenlignet med et oxidglas og et polymerglas, fremhævede uorden og ændringer på helt korte afstande (kort-rækkevidde), som er karakteristisk for ZIF-glas. Den dynamiske natur af linkerne (forbindelserne mellem byggestenene) blev yderligere understøttet ved at kuglemale ZIF-62 og køle den kuglemalede prøve til 150 K (ca. −123 °C). Samlet blev data fra aldringsforsøgene brugt til at adskille og forstå de underliggende processer i glasovergangen, som viser en tydelig signatur af strukturelle omlejringer på kort afstand i disse glasmaterialer.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords
ZIF ; Glas ; MOF ; Annealing ; Physical aging