纳米Sm2 O3 掺杂锂硼碲酸盐玻璃的结构调控与辐射屏蔽性能研究

为解决传统硼碲酸盐玻璃在辐射屏蔽和结构稳定性方面的不足，研究人员通过掺入纳米Sm2 O3 （0-8 mol%）系统研究了锂硼碲酸盐玻璃的结构与功能优化。结果表明，Sm2 O3 的引入形成了短程有序纳米结构，显著提升了γ射线质量衰减系数（尤其对低能光子）和快中子宏观移除截面，其中Sm(n)8样品性能最优。该研究为核防护和光学材料设计提供了新型多功能玻璃体系。

　　

随着核技术和空间探索的快速发展，对兼具透明性和辐射防护功能的先进材料需求日益迫切。传统硼碲酸盐玻璃虽具有优异的光学性能，但其机械强度和辐射衰减能力仍有待提升。近年来，纳米材料掺杂策略为玻璃性能调控提供了新思路，其中稀土氧化物Sm₂
O₃
因其高原子序数和独特的光-核相互作用特性备受关注。然而，纳米Sm₂
O₃
在硼碲酸盐玻璃中的结构演化规律及其对多重辐射屏蔽的协同增强机制尚不明确。

针对这一科学问题，由Princess Nourah bint Abdulrahman University领衔的国际研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表了创新性研究成果。该工作通过将纳米Sm₂
O₃
（0-8 mol%）掺入50TeO₂
–30B₂
O₃
-(20-x)Li₂
O基质，系统揭示了从均匀纳米分散到短程有序聚集的结构转变规律，并首次量化了其对γ射线和中子的协同屏蔽效应。研究发现，8 mol%掺杂样品（Sm(n)8）在0.015-15 MeV能区展现出突破性的辐射衰减性能，为航天器视窗、核医学防护等应用提供了新材料解决方案。

研究采用熔融-淬冷法制备玻璃样品，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征非晶结构演变，结合能量色散X射线光谱（EDX）验证元素分布均匀性。辐射性能测试采用标准γ射线衰减测量装置和中子移除截面分析系统。

结构特性分析：XRD显示所有样品均保持非晶态，但TEM揭示随Sm₂
O₃
含量增加（0→8 mol%），纳米颗粒从5-10 nm均匀分布逐渐演变为20-50 nm的致密聚集体，并出现局部晶格条纹，表明短程有序增强。EDX面扫描证实Sm元素成功掺入且无相分离。

辐射屏蔽性能：γ射线测试显示Sm(n)8在0.1 MeV处的质量衰减系数较基质提升47%，半值层（HVL）降低32%。中子屏蔽评估表明，Sm₂
O₃
掺杂使宏观移除截面提高21%，主要归因于Sm的高中子俘获截面（>6000 barn）。

物性变化机制：密度测试显示线性增长趋势（2.81→3.29 g/cm³
），证实Sm³⁺
离子成功填充玻璃网络间隙。光学带隙分析表明，Sm₂
O₃
引入导致Urbach能量增加，与非桥氧（NBO）形成相关。

该研究创新性地证明：纳米Sm₂
O₃
通过三重机制提升性能——（1）结构上促进TeO₄
单元交联增强机械稳定性；（2）物理上增加密度优化辐射衰减；（3）功能上利用Sm的4f电子跃迁改善光学特性。特别值得注意的是，Sm(n)8样品在医用⁶⁰
Co源（1.25 MeV）防护中展现出优于传统铅玻璃的性价比，为开发无铅防护材料开辟了新途径。

讨论部分强调，纳米颗粒均匀分散是性能优化的关键，未来研究需进一步探索Sm₂
O₃
掺杂对玻璃熔体粘度和析晶行为的调控规律。该成果不仅为多功能玻璃设计提供了理论依据，其"组成-结构-性能"关联模型也可推广至其他稀土掺杂体系，对推动辐射防护材料向轻量化、透明化发展具有里程碑意义。