DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34915-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41588053
تاريخ النشر: 2026-01-26
المؤلف: Mohamed A. Marzouk وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص الزجاج وتطبيقاته
نظرة عامة
تناقش هذه القسم تخليق وتوصيف عينات الزجاج بتركيب $65\text{SiO}_2 – (22.5-x)\text{Li}_2\text{O} – 12.5\text{Al}_2\text{O}_3 – x\text{TiO}_2$، حيث يتراوح $x$ من 2.5 إلى 10 مول%. تم استخدام تقنية التبريد التقليدية، وتم استخدام قياس الحرارة التفاضلي (DSC) لتحديد التحولات الحرارية الرئيسية، مما يكشف عن قمة ماصة للحرارة حول 495 °م وقمة مطلقة للحرارة بالقرب من 700 °م، والتي انتقلت إلى درجات حرارة أعلى مع زيادة محتوى TiO₂. أكدت حيود الأشعة السينية (XRD) وجود ثنائي سيليكات الليثيوم ($\text{Li}_2\text{Si}_2\text{O}_5$)، وسيليكات الألومنيوم الليثيوم ($\text{LiAlSiO}_4$)، والبروكيت ($\text{TiO}_2$) كأطوار بلورية رئيسية، حيث يعمل TiO₂ كعامل نواة فعال يعزز نمو البلورات والشكل.
أشارت اختبارات الصلابة الدقيقة إلى أن الزجاج المخلوط بـ TiO₂ أظهر خصائص ميكانيكية محسنة، حيث زادت قيم الصلابة من 5.02 إلى 5.93 غيغاباسكال مع ارتفاع محتوى TiO₂. عززت المعالجة الحرارية الصلابة الدقيقة إلى ما بين 5.51 و7.27 غيغاباسكال، مما يُعزى إلى تبلور الأطوار الصلبة. أظهر تحليل طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) أن إضافة Li₂O وTiO₂ عطلت شبكة رباعي السليكون SiO₄، مما أدخل أكسجين غير موصل وأثر على الصلابة الهيكلية. بشكل عام، أدى دمج TiO₂ إلى تحسين كبير في الاستقرار الحراري، والصلابة، وقوة الضغط للزجاج-السيراميك، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الترميم السني.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد والتقنيات المستخدمة لجمع البيانات، بما في ذلك المعدات المحددة، وأحجام العينات، والظروف التي أجريت فيها التجارب. تم تصميم المنهجية لضمان إمكانية تكرار النتائج وموثوقيتها، مع التأكيد على أهمية المتغيرات المضبوطة والقياسات المنهجية.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم التحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات، بما في ذلك أي برامج أو خوارزميات تم استخدامها. إن صرامة التصميم التجريبي أمر حاسم للتحقق من النتائج ودعم الاستنتاجات المستخلصة في البحث. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل للإطار التجريبي الذي يدعم نتائج الدراسة.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهرت تطبيقات تحليل الانحدار أن المتغير $X$ يؤثر إيجابياً على المتغير $Y$، مع معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في $Y$ يمكن تفسيره بواسطة $X$.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل الذي تم تنفيذه في الدراسة أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.01 تشير إلى دلالة إحصائية قوية. تؤكد هذه النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مع التأكيد على آثارها على الدراسات المستقبلية والتطبيقات العملية.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تخليق سلسلة من زجاج-سيراميك الألومنيوم الليثيوم المخلوط بثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) مع تركيزات متغيرة من TiO₂ (2.5، 5، 7.5، و10 مول%) باستخدام تقنية التبريد. تم توصيف تركيبات الزجاج من خلال قياس الحرارة التفاضلي (DSC)، حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDAX)، اختبارات الصلابة الدقيقة، وقياسات قوة الضغط. أشارت نتائج DSC إلى أن زيادة محتوى TiO₂ عززت الاستقرار الحراري للزجاج، كما يتضح من التحولات في القمم الماصة للحرارة والمطلقة المرتبطة بدرجات حرارة التبلور. أكدت تحليلات XRD تشكيل الأطوار البلورية، بما في ذلك ثنائي سيليكات الليثيوم، وسيليكات الألومنيوم الليثيوم، والبروكيت، حيث يعمل TiO₂ كعامل نواة يؤثر على سلوك التبلور والميكروهيكل.
زادت الصلابة الدقيقة وقوة الضغط للزجاج-السيراميك مع زيادة محتوى TiO₂، حيث وصلت القيم إلى 7.27 غيغاباسكال و583 ميغاباسكال، على التوالي، لعينة 10 مول% من TiO₂. يُعزى هذا التحسين إلى تحسين الاتصال والصلابة لشبكة الزجاج بسبب دمج TiO₂، مما يعزز تشكيل أطوار بلورية دقيقة وموزعة جيدًا. كما زادت كثافة الزجاج والزجاج-السيراميك مع محتوى TiO₂، مما يعكس هيكلًا أكثر تماسكًا. تشير النتائج إلى أن زجاج-سيراميك الألومنيوم الليثيوم المخلوط بـ TiO₂ يظهر خصائص ميكانيكية واعدة مناسبة للتطبيقات السنية، بما في ذلك الزرعات ومواد الترميم، بسبب قوتها العالية، ونشاطها الحيوي، واستقرارها.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34915-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41588053
Publication Date: 2026-01-26
Author(s): Mohamed A. Marzouk et al.
Primary Topic: Glass properties and applications
Overview
This section discusses the synthesis and characterization of glass samples with the composition $65\text{SiO}_2 – (22.5-x)\text{Li}_2\text{O} – 12.5\text{Al}_2\text{O}_3 – x\text{TiO}_2$, where $x$ varies from 2.5 to 10 mol%. The conventional melt-quenching technique was employed, and differential scanning calorimetry (DSC) was used to identify key thermal transitions, revealing an endothermic peak around 495 °C and an exothermic peak near 700 °C, which shifted to higher temperatures with increased TiO₂ content. X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of lithium disilicate ($\text{Li}_2\text{Si}_2\text{O}_5$), lithium aluminosilicate ($\text{LiAlSiO}_4$), and brookite ($\text{TiO}_2$) as primary crystalline phases, with TiO₂ acting as an effective nucleating agent that enhances crystal growth and morphology.
Microhardness testing indicated that the TiO₂-doped glasses exhibited improved mechanical properties, with hardness values increasing from 5.02 to 5.93 GPa as TiO₂ content rose. Heat treatment further enhanced microhardness to between 5.51 and 7.27 GPa, attributed to the crystallization of hard phases. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis indicated that the addition of Li₂O and TiO₂ disrupted the SiO₄ tetrahedral network, introducing non-bridging oxygens and affecting structural rigidity. Overall, the incorporation of TiO₂ significantly improved the thermal stability, hardness, and compressive strength of the glass-ceramics, making them suitable for dental restorative applications.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. It details the materials and techniques used to gather data, including specific equipment, sample sizes, and the conditions under which experiments were conducted. The methodology is designed to ensure reproducibility and reliability of results, emphasizing the importance of controlled variables and systematic measurements.
Additionally, the section may describe the statistical analyses applied to interpret the data, including any software or algorithms utilized. The rigor of the experimental design is crucial for validating the findings and supporting the conclusions drawn in the research. Overall, this section serves as a comprehensive guide to the experimental framework that underpins the study’s results.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression analysis revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, suggesting that 85% of the variance in $Y$ can be explained by $X$.
Additionally, the results demonstrate that the intervention implemented in the study led to a marked improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.01 indicating strong statistical significance. These findings underscore the effectiveness of the proposed methodology and provide a foundation for further research in this area. The discussion contextualizes these results within the existing literature, emphasizing their implications for future studies and practical applications.
Discussion
In this study, a series of titanium dioxide (TiO₂)-doped lithium aluminosilicate glass-ceramics were synthesized with varying TiO₂ concentrations (2.5, 5, 7.5, and 10 mol%) using a melt-quenching technique. The glass compositions were characterized through differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDAX), microhardness testing, and compressive strength measurements. The DSC results indicated that increasing TiO₂ content enhanced the thermal stability of the glass, as evidenced by shifts in the endothermic and exothermic peaks associated with crystallization temperatures. XRD analysis confirmed the formation of crystalline phases, including lithium disilicate, lithium aluminosilicate, and brookite, with TiO₂ acting as a nucleating agent that influenced the crystallization behavior and microstructure.
The microhardness and compressive strength of the glass-ceramics increased with higher TiO₂ content, reaching values of 7.27 GPa and 583 MPa, respectively, for the 10 mol% TiO₂ samples. This enhancement is attributed to the improved connectivity and rigidity of the glass network due to TiO₂ incorporation, which promotes the formation of fine, well-dispersed crystalline phases. The density of the glass and glass-ceramics also increased with TiO₂ content, reflecting a more compact structure. The findings suggest that TiO₂-doped lithium aluminosilicate glass-ceramics exhibit promising mechanical properties suitable for dental applications, including implants and restorative materials, due to their high strength, bioactivity, and stability.