من تثبيت العظام إلى صناعة الأسطح المضادة للبكتيريا، مايكل الين يتحدث إلى الباحثين الذين يصنعون الزجاج الذي يتمتع بوظائف وأداء إضافي
الزجاج موجود في كل مكان في الحياة اليومية. نظرًا لكونها شفافة للغاية ومستقرة ومتينة، فهي مادة مهمة لعدد لا يحصى من التطبيقات، بدءًا من النوافذ البسيطة وحتى الشاشات التي تعمل باللمس على أحدث أدواتنا وحتى المكونات الضوئية لأجهزة الاستشعار عالية التقنية.
النظارات الأكثر شيوعًا مصنوعة من السيليكا والجير والصودا. ولكن لعدة قرون تمت إضافة مكونات إضافية إلى الزجاج لمنحه خصائص مثل اللون ومقاومة الحرارة. ولا يزال الباحثون يعملون على الزجاج، ويسعون إلى إعطائه المزيد من الوظائف وتحسين أدائه لمهام محددة، وإنشاء زجاج عالي التقنية بشكل متزايد وما يمكن الإشارة إليه بالزجاج "الذكي".
ليس من السهل تعريف المواد الذكية، ولكنها مصممة بشكل عام للاستجابة بطريقة محددة للمحفزات الخارجية. فيما يتعلق بالزجاج، فإن التطبيق "الذكي" الأكثر وضوحًا هو للنوافذ - على وجه الخصوص، التحكم في كمية الضوء التي تمر عبر الزجاج. وبهذه الطريقة يمكننا تعزيز كفاءة الطاقة في أي مبنى: تقليل الحرارة في الصيف، مع إبقائها دافئة في الطقس البارد.
جهد النافذة
يمكن تغيير لون أو عتامة بعض أنواع الزجاج الذكي عن طريق تطبيق جهد كهربائي على المادة، وبالتالي تغيير خصائص بصرية معينة - مثل الامتصاص والانعكاس - بطريقة يمكن عكسها. يمكن لمثل هذه النوافذ الذكية "الكهروكيميائية" التحكم في نفاذية ترددات معينة من الضوء، مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء، عند الطلب، أو حتى حجبها تمامًا. يحظى تطبيق هذه التقنية بشعبية كبيرة ليس فقط في المباني، ولكن أيضًا في شاشات العرض الإلكترونية ونوافذ السيارات الملونة.
في الواقع، تتفوق النوافذ الكهروضوئية على التقنيات الأخرى في هذا المجال، وقد تم تسويقها بالفعل. ولكن على الرغم من أنها تعمل بشكل جيد، إلا أن لديها بعض العيوب الواضحة. إنها معقدة ومكلفة للغاية، ويتطلب تعديلها في المباني القديمة بشكل عام تركيب نوافذ وإطارات نوافذ وتوصيلات كهربائية جديدة. كما أنها ليست تلقائية - تحتاج إلى تشغيلها وإيقاف تشغيلها.
ولمعالجة بعض هذه المشكلات، كان الباحثون يعملون على النوافذ الحرارية، والتي تنجم عن التغيرات في درجة الحرارة بدلاً من الجهد الكهربائي. أحد عوامل الجذب الكبيرة هو أنها سلبية، فبمجرد تركيبها تتغير خصائصها مع درجة الحرارة المحيطة، دون الحاجة إلى تدخل بشري. الطريقة السائدة لإنشاء مثل هذه النوافذ الحرارية هي وضع طبقة من ثاني أكسيد الفاناديوم على الزجاج (جول وحدة طاقة 10.1016 / j.joule.2018.06.018)، ولكن يمكن أيضًا استخدام مواد أخرى مثل البيروفسكايت (تطبيق J. طاقة 254 113690). تخضع هذه المواد لمرحلة انتقالية، حيث تصبح أكثر أو أقل شفافية مع تغير درجة الحرارة، وهو تأثير يمكن ضبطه ليناسب الظروف المختلفة.
في حين أن ثاني أكسيد الفاناديوم يظهر الكثير من الأمل للنوافذ الذكية، إلا أن هناك عقبات يجب التغلب عليها. بسبب امتصاصه القوي، ينتج ثاني أكسيد الفاناديوم لونًا أصفر بنيًا غير سار، وهناك حاجة إلى مزيد من العمل على الاستقرار البيئي (حال. مانوف. 6 1). تشير مراجعة حديثة أيضًا إلى أنه على الرغم من أن هذه التقنيات يمكن أن توفر وفورات كبيرة في الطاقة، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث حول استخدامها وتأثيرها في بيئات العالم الحقيقي. على سبيل المثال، وجد أن أداء الطاقة للنوافذ الحرارية يختلف كثيرًا بين المدن المختلفة التي تستخدم نفس نوع الفيلم، ولكنه أقل بكثير بين أنواع الأفلام المختلفة المستخدمة في نفس المدينة (تطبيق J. طاقة 255 113522).
لكن الزجاج عالي التقنية لا ينتهي بالنوافذ الذكية. وقد وجد الباحثون أنهم إذا أضافوا المزيد من المعادن غير العادية إلى الزجاج، فيمكن أن يساعد ذلك في حماية الألواح الشمسية وجعلها أكثر كفاءة (انظر الإطار: تحسين زجاج الغطاء الكهروضوئي). وفي الوقت نفسه، يمكن للزجاج النشط بيولوجيًا أن يساعدنا في إعادة نمو العظام والأنسجة الأخرى (انظر الإطار: تثبيت العظام والأنسجة الأخرى)، في حين أن عمليات الحفر الجديدة يمكن أن تسمح لنا بإضافة وظائف متعددة إلى الزجاج دون الحاجة إلى طلاء السطح (انظر الإطار: مضاد للانعكاس) والتنظيف الذاتي ومضاد للجراثيم). وعلى الرغم من أنها ليست نظارات بصرية تقليدية، إلا أن المواد الجديدة المتغيرة الطور يمكن أن تساعد في إنشاء أنظمة بصرية أخف وزنًا وأكثر إحكاما (انظر الإطار: التحكم غير الميكانيكي في الضوء). وأخيرًا، قد يتمكن الزجاج يومًا ما من شفاء نفسه بنفسه (انظر الإطار: الزجاج الخالد).
تحسين زجاج الغطاء الكهروضوئي
قد يبدو الأمر مفاجئًا، لكن ليس كل ضوء الشمس مفيدًا للخلايا الشمسية. بينما تقوم الوحدات الكهروضوئية بتحويل الضوء تحت الأحمر والمرئي إلى طاقة كهربائية، فإن الضوء فوق البنفسجي يدمرها. تمامًا مثل حالة حروق الشمس، يؤثر ضوء الأشعة فوق البنفسجية سلبًا على البوليمرات المعتمدة على الكربون المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية العضوية. لقد وجد الباحثون أن الضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية يجعل طبقة أشباه الموصلات العضوية أكثر مقاومة للكهرباء، مما يقلل من تدفق التيار والكفاءة الإجمالية للخلية.
ولا تقتصر هذه المشكلة على الخلايا العضوية. يعيق ضوء الأشعة فوق البنفسجية أيضًا الخلايا الكهروضوئية الأكثر شيوعًا المعتمدة على السيليكون، والتي تتكون من مجموعة من المواد المختلفة. يتم وضع الطبقة الضوئية القائمة على السيليكون بين البوليمرات التي تحميها من دخول الماء، ثم يتم تغطية هذه الوحدة بغطاء زجاجي، مما يحميها بشكل أكبر من العناصر مع السماح لأشعة الشمس بالمرور. تكمن مشكلة الأشعة فوق البنفسجية في أنها تلحق الضرر بالبوليمرات، مما يسمح للماء باختراق الأقطاب الكهربائية وتآكلها.
بول بينغهامويوضح خبير الزجاج في جامعة شيفيلد هالام بالمملكة المتحدة أنه لتحسين كفاءة الألواح الشمسية «كان الاتجاه السائد في العقود القليلة الماضية هو جعل الزجاج أكثر نقاءً ووضوحًا». وهذا يعني إزالة المواد الكيميائية التي تلون الزجاج، مثل الحديد، الذي ينتج صبغة خضراء. لسوء الحظ، كما يوضح بينغهام، فإن هذا يسمح بمرور المزيد من الأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى إتلاف البوليمر بشكل أكبر.
لذلك كان بينغهام وزملاؤه يسيرون في الاتجاه الآخر، حيث قاموا بتطعيم الزجاج كيميائيًا بحيث يمتص الأشعة فوق البنفسجية الضارة ولكنه شفاف بالنسبة للأشعة تحت الحمراء المفيدة والضوء المرئي. لا يزال الحديد ليس مادة مضافة مثالية، لأنه يمتص بعض الأطوال الموجية المرئية والأشعة تحت الحمراء، وينطبق الشيء نفسه على معادن الصف الأول الانتقالية الأخرى مثل الكروم والكوبالت.
وبدلاً من ذلك، كان فريق بينغهام يقوم باختبار عناصر انتقالية في الصفين الثاني والثالث والتي لا تتم إضافتها عادةً إلى الزجاج، مثل النيوبيوم والتنتالوم والزركونيوم، إلى جانب معادن أخرى مثل البزموت والقصدير. هذه تخلق امتصاصًا قويًا للأشعة فوق البنفسجية دون أي تلوين مرئي. عند استخدامها في الغطاء الزجاجي، يؤدي ذلك إلى إطالة عمر الخلايا الكهروضوئية ويساعدها في الحفاظ على كفاءة أعلى، وبالتالي توليد المزيد من الكهرباء لفترة أطول.
العملية أيضا لها فائدة أخرى. يقول بينغهام: "ما اكتشفناه هو أن العديد من المواد المشابهة تمتص فوتونات الأشعة فوق البنفسجية، وتفقد القليل من الطاقة ثم تعيد بثها على شكل فوتونات مرئية، أي الفلورية بشكل أساسي". أنها تخلق فوتونات مفيدة يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية. وفي دراسة حديثة، أظهر الباحثون أن مثل هذه النظارات يمكن أن تحسن كفاءة الوحدات الشمسية بنسبة تصل إلى حوالي 8%، مقارنة بغطاء زجاجي قياسي (بروغ. في الخلايا الكهروضوئية 10.1002/نقطة.3334).
إصلاح العظام والأنسجة الأخرى
في عام 1969، كان مهندس الطب الحيوي لاري هينش، من جامعة فلوريدا، يبحث عن مادة يمكنها الارتباط بالعظام دون أن يرفضها جسم الإنسان. أثناء العمل على اقتراح لقيادة الأبحاث والتصميم الطبي بالجيش الأمريكي، أدرك هينش أن هناك حاجة إلى مادة جديدة يمكن أن تشكل رابطة حية مع الأنسجة في الجسم، مع عدم رفضها، كما هو الحال غالبًا مع المعدن. وزراعة البلاستيك. قام في النهاية بتركيب Bioglass 45S5، وهو تركيبة معينة من الزجاج النشط بيولوجيًا والتي أصبحت الآن علامة تجارية لجامعة فلوريدا.
مزيج محدد من أكسيد الصوديوم وأكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد السيليكون وخامس أكسيد الفوسفور، يُستخدم الزجاج النشط بيولوجيًا الآن كعلاج للعظام لاستعادة العظام التالفة وإصلاح عيوب العظام. يقول: "الزجاج النشط بيولوجيًا هو مادة تضعها في الجسم وتبدأ في الذوبان، وأثناء قيامها بذلك، فإنها تخبر الخلايا والعظام بأن تصبح أكثر نشاطًا وتنتج عظامًا جديدة". جوليان جونزخبير في المادة من إمبريال كوليدج لندن بالمملكة المتحدة.
يوضح جونز أن هناك سببين رئيسيين وراء عمل الزجاج بشكل جيد. أولاً، عندما يذوب فإنه يشكل طبقة سطحية من هيدروكسيكربونات الأباتيت، وهو مشابه للمعدن الموجود في العظام. وهذا يعني أنه يتفاعل مع العظام ويراه الجسم كجسم أصلي وليس جسمًا غريبًا. ثانيًا، أثناء ذوبانه، يطلق الزجاج أيونات تشير إلى الخلايا لإنتاج عظام جديدة.
من الناحية السريرية، يُستخدم الزجاج النشط بيولوجيًا بشكل أساسي كمسحوق يتم تشكيله على شكل معجون ثم يتم دفعه إلى داخل العيب العظمي، لكن جونز وزملاؤه كانوا يعملون على مواد مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشبه السقالة لإجراء إصلاحات هيكلية أكبر. هذه عبارة عن هجينة عضوية وغير عضوية من الزجاج النشط بيولوجيًا والبوليمر والتي يشار إليها باسم الزجاج الحيوي النطاط. توفر البنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد خصائص ميكانيكية جيدة، ولكنها توفر أيضًا بنية تشجع الخلايا على النمو بالطريقة الصحيحة. في الواقع، وجد جونز أنه من خلال تغيير حجم مسام السقالة، يمكن تشجيع الخلايا الجذعية لنخاع العظم على نمو العظام أو الغضاريف. يقول جونز: "لقد حققنا قدرًا كبيرًا من النجاح مع غضروف Bioglass النطاط".
كما يتم استخدام الزجاج النشط بيولوجيًا لتجديد الجروح المزمنة، مثل تلك الناجمة عن قرحة السكري. أظهرت الأبحاث أن الصوف القطني مثل الضمادات الزجاجية يمكن أن يشفي الجروح، مثل قرح القدم السكرية، التي لم تستجب للعلاجات الأخرى (كثافة العمليات. الجرح ج. 19 791).
لكن جونز يقول إن الاستخدام الأكثر شيوعًا للزجاج النشط بيولوجيًا هو في بعض معاجين الأسنان الحساسة، حيث يحفز التمعدن الطبيعي للأسنان. ويوضح قائلاً: "لديك أسنان حساسة لأن لديك أنابيب تدخل إلى تجويف العصب في وسط السن، لذلك إذا قمت بتمعدن تلك الأنابيب فلن يكون هناك طريق إلى تجويف اللب".
مضاد للانعكاس والتنظيف الذاتي ومضاد للبكتيريا
في جامعة كوليدج لندن، قام الباحثون بحفر هياكل نانوية على سطح الزجاج لمنحه وظائف متعددة ومختلفة. وقد تم تجربة تقنيات مماثلة في الماضي، ولكن ثبت أنه من الصعب والمعقد بناء السطح الزجاجي بتفاصيل دقيقة بما فيه الكفاية. مهندس نانوي يوانيس باباكونستانتينو ومع ذلك، قام وزملاؤه مؤخرًا بتطوير عملية طباعة حجرية جديدة تسمح لهم بتفصيل الزجاج بدقة نانوية (حال. ماتر. 33 2102175).
مستوحاة من العث الذي يستخدم هياكل مماثلة للتمويه البصري والصوتي، قام الباحثون بنقش سطح زجاجي بمجموعة من المخاريط النانوية ذات الطول الموجي الفرعي لتقليل انعكاسه. ووجدوا أن هذا السطح المنظم يعكس أقل من 3% من الضوء، بينما يعكس زجاج التحكم حوالي 7%. ويوضح باباكونستانتينو أن المخاريط النانوية تساعد في سد التغيرات بين معامل انكسار السطح الزجاجي ومعامل انكسار الهواء، عن طريق تسهيل الانتقال المفاجئ عادة من الهواء إلى الزجاج. وهذا يقلل من التشتت وبالتالي كمية الضوء التي تنعكس عن السطح.
كما أن السطح أيضًا كاره للماء للغاية، حيث يطرد قطرات الماء والزيوت بحيث ترتد عن وسائد الهواء المحبوسة في الهياكل النانوية. عندما تتساقط القطرات، فإنها تلتقط الملوثات والأوساخ، مما يجعل الزجاج ينظف نفسه ذاتيًا، كما يوضح باباكونستانتينو. وكفائدة أخيرة، تكافح البكتيريا للبقاء على قيد الحياة على الزجاج، حيث تخترق المخاريط الحادة أغشية خلاياها. يركز على المكورات العنقودية الذهبية - البكتيريا التي تسبب عدوى المكورات العنقودية - أظهر الفحص المجهري الإلكتروني أن 80% من البكتيريا التي تستقر على السطح تموت، مقارنة بحوالي 10% على الزجاج العادي. ووفقا للباحثين، فإن هذا هو أول عرض لسطح زجاجي مضاد للبكتيريا.
التحكم غير الميكانيكي في الضوء
يتم التحكم في الضوء بشكل عام في الأنظمة البصرية عن طريق الأجزاء المتحركة، مثل العدسة التي يمكن التحكم بها لتغيير النقطة البؤرية للضوء أو توجيه الشعاع. لكن فئة جديدة من المواد متغيرة الطور (PCMs) يمكنها تغيير خصائص المكونات البصرية دون أي تدخل ميكانيكي.
يمكن لـ PCM أن يتحول بين وجود بنية بلورية منظمة إلى كونها غير متبلورة وشبيهة بالزجاج عند تطبيق شكل ما من أشكال الطاقة، مثل التيار الكهربائي. لقد تم استخدام هذه المواد منذ فترة طويلة لتخزين البيانات على الأقراص الضوئية، حيث تمثل المرحلتان الحالتين الثنائيتين. لكن هذه المواد لم تُستخدم فعليًا في مجال البصريات بما يتجاوز هذه التطبيقات، لأن إحدى المراحل تكون عادةً معتمة.
ولكن في الآونة الأخيرة، ابتكر باحثون في الولايات المتحدة فئة جديدة من PCMs تعتمد على عناصر الجرمانيوم والأنتيمون والسيلينيوم والتيلوريوم، المعروفة باسم GSST (اتصالات الطبيعة 10 4279). واكتشفوا أنه على الرغم من أن الحالتين الزجاجية والبلورية لهذه المواد تكون شفافة بالنسبة للأشعة تحت الحمراء، إلا أن لها مؤشرات انكسار مختلفة على نطاق واسع. يمكن استغلال ذلك لإنشاء بصريات قابلة لإعادة التشكيل يمكنها التحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء.
جوجون هويقول عالم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إنه بدلاً من امتلاك جهاز بصري بتطبيق واحد، يمكنك برمجته ليقوم بعدة وظائف مختلفة. ويوضح قائلاً: "يمكنك حتى التبديل من العدسة إلى محزوز الحيود أو المنشور".
يقول هو إن أفضل استخدام لخصائص PCM هو إنشاء مواد بصرية خارقة، حيث يتم تصميم هياكل ذات طول موجي نانوي على السطح ويتم ضبط كل منها للتفاعل مع الضوء بطريقة معينة لإنشاء التأثير المطلوب، مثل التركيز شعاع من الضوء. عندما يتم تطبيق تيار كهربائي على المادة، فإن الطريقة التي تتفاعل بها الهياكل النانوية السطحية مع الضوء تتغير مع تغير حالة المادة ومعامل الانكسار.
لقد أثبت الفريق بالفعل أنه قادر على إنشاء عناصر مثل عدسات التكبير والمصاريع البصرية التي يمكنها إيقاف شعاع الضوء بسرعة. كاثلين ريتشاردسونيقول خبير المواد البصرية والضوئيات في جامعة سنترال فلوريدا، والذي عمل مع هو في مواد GSST، إن هذه المواد يمكن أن تبسط وتقلل من حجم أجهزة الاستشعار والأجهزة البصرية الأخرى. ومن شأنها أن تمكن من دمج آليات بصرية متعددة، مما يقلل من عدد الأجزاء الفردية، ويزيل الحاجة إلى عناصر ميكانيكية مختلفة. يوضح ريتشاردسون: "إن الوظائف المتعددة في نفس المكون تجعل المنصة أصغر حجمًا وأكثر إحكاما وأخف وزنا".
الزجاج الخالد
يقول بول بينجهام، المتخصص في الزجاج والسيراميك بجامعة شيفيلد هالام بالمملكة المتحدة: «يمكنك ثني قوانين الفيزياء، لكن لا يمكنك خرقها». "في الأساس، الزجاج مادة هشة، وإذا قمت بتطبيق قوة كافية على جزء صغير بما فيه الكفاية من الزجاج، فسوف ينكسر." ومع ذلك، هناك طرق مختلفة يمكن من خلالها تحسين أدائها.
خذ بعين الاعتبار الهواتف المحمولة. تُصنع معظم شاشات الهواتف الذكية من الزجاج المقسى كيميائيًا، وأكثرها شيوعًا غوريلا زجاج. تم تطوير هذا الزجاج القوي والمقاوم للخدش بواسطة شركة كورنينج في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ويمكن الآن العثور عليه في حوالي خمسة مليارات من الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية. لكن الزجاج المقوى كيميائيا ليس غير قابل للكسر تماما. في الواقع، شاشة هاتف بينغهام مكسورة. يقول: "لقد أسقطتها مرة واحدة ثم أسقطتها مرة أخرى وسقطت على نفس النقطة بالضبط وانتهت اللعبة".
ولتحسين متانة الشاشات الزجاجية بشكل أكبر، كان بينغهام يعمل على مشروع بعنوان "تصنيع الخلود" مع علماء البوليمر في جامعة نورثمبريا، بقيادة الكيميائي. جاستن بيريالذين طوروا بوليمرات ذاتية الشفاء. إذا قمت بقطع هذه البوليمرات ذاتية الشفاء إلى نصفين ثم قمت بدفع القطع معًا، فسوف تنضم معًا مرة أخرى بمرور الوقت. لقد قام الباحثون بتجربة تطبيق طبقات من هذه المواد على الزجاج.
إذا قمت بتطبيق قوة كافية، فإن هذه الشاشات ستظل تنكسر، ولكن إذا أسقطت إحداها وكسرت طبقة البوليمر، فيمكن أن تلتئم ذاتيًا. سيحدث هذا في ظل ظروف درجة حرارة الغرفة المحيطة، على الرغم من أن تسخينها قليلاً، عن طريق تركها في مكان دافئ على سبيل المثال، قد يؤدي إلى تسريع العملية. يقول بينغهام: "يتعلق الأمر بتحسين عمر المنتجات، وجعلها أكثر استدامة، وأكثر مرونة". ويمكن أن يكون مفيدًا للعديد من المنتجات التي تستخدم الزجاج كطبقة حماية، وليس فقط الهواتف الذكية.
