Fra fiksering af knogler til fremstilling af antibakterielle overflader, Michael Allen taler med forskerne, der laver glas, der har ekstra funktionalitet og ydeevne
Glas er allestedsnærværende i hverdagen. Da det er meget gennemsigtigt, stabilt og holdbart, er det et vigtigt materiale til et utal af applikationer, fra simple vinduer til berøringsskærme på vores nyeste gadgets til fotoniske komponenter til højteknologiske sensorer.
De mest almindelige glas er lavet af silica, lime og sodavand. Men i århundreder er yderligere ingredienser blevet tilføjet til glas for at give egenskaber som farve og varmebestandighed. Og forskere arbejder stadig på glas og søger at give det yderligere funktionalitet og forbedre dets ydeevne til specifikke opgaver, og skabe mere og mere højteknologisk glas og det, der kan betegnes som "smart" glas.
Smarte materialer er ikke lette at definere, men i store træk er de designet til at reagere på en specifik måde på ydre stimuli. Med hensyn til glas er den mest oplagte "smarte" applikation til vinduer - især styring af mængden af lys, der passerer gennem glasset. På den måde kan vi øge energieffektiviteten i enhver bygning: reducere varmen om sommeren, mens vi holder den varm i koldere vejr.
Vinduesspænding
Farven eller opaciteten af nogle smarte glas kan ændres ved at påføre en spænding på materialet og derved ændre visse optiske egenskaber – såsom absorption og reflektans – på en måde, der er reversibel. Sådanne "elektrokromiske" smarte vinduer kan kontrollere transmittansen af visse lysfrekvenser, såsom ultraviolet eller infrarød, efter behov eller endda blokere dem helt. Anvendelsen af denne teknologi er populær ikke kun i bygninger, men også i elektroniske displays og tonede bilruder.
Faktisk er elektrokrome vinduer forud for andre teknologier på dette område og er allerede blevet kommercialiseret. Men på trods af at de fungerer godt, har de nogle åbenlyse ulemper. De er ret komplekse og dyre, og eftermontering af dem til ældre bygninger kræver generelt installation af nye vinduer, vinduesrammer og elektriske forbindelser. De er heller ikke automatiske - du skal tænde og slukke for dem.
For at løse nogle af disse problemer har forskere arbejdet på termokromiske vinduer, som udløses af ændringer i temperatur i stedet for spænding. En stor attraktion er, at de er passive - når de først er installeret, ændres deres egenskaber med den omgivende temperatur, uden behov for menneskelig input. Den dominerende metode til at skabe sådanne termokrome vinduer er påføring af en belægning af vanadiumdioxid på glas (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), men andre materialer såsom perovskiter kan også bruges (J. App. Energi 254 113690). Disse materialer gennemgår en faseovergang, der bliver mere eller mindre gennemsigtige, efterhånden som temperaturen ændres, en effekt, der kan indstilles til forskellige forhold.
Mens vanadiumdioxid lover meget for smarte vinduer, er der forhindringer at overvinde. På grund af dets stærke absorption giver vanadiumdioxid en ubehagelig brun-gul farvetone, og der er behov for yderligere arbejde med miljøstabilitet (Adv. Manuf. 6 1). En nylig gennemgang tyder også på, at selvom disse teknologier kan give betydelige energibesparelser, er der behov for mere forskning i deres anvendelse og virkning i den virkelige verden. For eksempel har termokrome vinduers energiydelse vist sig at variere meget mellem forskellige byer, der bruger den samme filmtype, men langt mindre mellem forskellige filmtyper, der bruges i samme by (J. App. Energi 255 113522).
Men højteknologiske glas ender ikke med smarte vinduer. Forskere har fundet ud af, at hvis de tilføjer mere usædvanlige metaller til glas, kan det være med til at beskytte solpaneler og gøre dem mere effektive (se boks: Forbedring af solcelledækglas). Bioaktivt glas kan i mellemtiden hjælpe os med at genskabe knogler og andet væv (se boks: Fastgørelse af knogler og andet væv), mens nye ætsningsprocesser kan give os mulighed for at tilføje flere funktioner til glas uden behov for overfladebelægninger (se boks: Anti-reflekterende , selvrensende og antibakteriel). Og selvom det ikke er traditionelle optiske briller, kan nye faseskiftende materialer hjælpe med at skabe lettere og mere kompakte optiske systemer (se boks: Ikke-mekanisk lysstyring). Endelig kan glas en dag endda være i stand til at helbrede sig selv (se boks: Udødelig glas).
Forbedring af fotovoltaisk dækglas
Det kan virke overraskende, men ikke alt sollys er godt for solceller. Mens fotovoltaiske enheder omdanner infrarødt og synligt lys til elektrisk energi, skader ultraviolet (UV) lys dem. Ligesom et tilfælde af solskoldning, påvirker UV-lys negativt de kulstofbaserede polymerer, der bruges i organiske solcelleceller. Forskere har fundet ud af, at skaden fra UV-lys gør det organiske halvlederlag mere elektrisk modstandsdygtigt, hvilket reducerer strømstrømmen og cellens samlede effektivitet.
Dette problem er ikke begrænset til organiske celler. UV-lys hæmmer også den mere almindelige siliciumbaserede solcelle, som består af en stak af forskellige materialer. Det siliciumbaserede fotoaktive lag er klemt mellem polymerer, der beskytter det mod vandindtrængning, og denne enhed er derefter toppet med et glasdæksel, som yderligere beskytter det mod elementerne, samtidig med at sollys slipper igennem. Problemet med UV-lys er, at det beskadiger polymererne, hvilket tillader vand at trænge ind og korrodere elektroderne.
Paul Bingham, en ekspert i glas ved Sheffield Hallam University, Storbritannien, forklarer, at for at forbedre solpanelernes effektivitet "har den altoverskyggende kørselsretning i de sidste par årtier været at gøre glasset klarere og klarere". Det betyder at fjerne kemikalier, der farver glasset, såsom jern, som giver en grøn farvetone. Desværre, som Bingham forklarer, slipper dette mere UV-lys igennem, hvilket beskadiger polymeren yderligere.
Bingham og hans kolleger er derfor gået i den anden retning - de har dopet glas kemisk, så det absorberer skadeligt UV-lys, men er gennemsigtigt for det nyttige infrarøde og synlige lys. Jern er stadig ikke et ideelt tilsætningsstof, da det absorberer nogle synlige og infrarøde bølgelængder, og det samme gælder for andre overgangsmetaller i første række såsom krom og kobolt.
I stedet har Binghams team eksperimenteret med overgangselementer i anden og tredje række, som normalt ikke ville blive tilføjet til glas, såsom niobium, tantal og zirconium, sammen med andre metaller som vismut og tin. Disse skaber en stærk UV-absorption uden nogen synlig farvning. Når det bruges i dækglasset, forlænger dette solcellernes levetid og hjælper dem med at opretholde en højere effektivitet, så de genererer mere elektricitet i længere tid.
Processen har også en anden fordel. "Det, vi har fundet, er, at mange af dopingstofferne absorberer UV-fotoner, mister en smule energi, og så genudsender de dem som synlige fotoner, så fluorescerende dybest set," siger Bingham. De skaber nyttige fotoner, der kan omdannes til elektrisk energi. I en nylig undersøgelse viste forskerne, at sådanne briller kan forbedre effektiviteten af solcellemoduler med op til omkring 8 % sammenlignet med standard dækglas (Prog. i solcelleanlæg 10.1002/pip.3334).
Fiksering af knogler og andet væv
I 1969 ledte biomedicinsk ingeniør Larry Hench fra University of Florida efter et materiale, der kunne binde sig til knogler uden at blive afvist af den menneskelige krop. Mens han arbejdede på et forslag til US Army Medical Research and Design Command, indså Hench, at der var behov for et nyt materiale, der kunne danne et levende bånd med væv i kroppen, uden at blive afvist, som det ofte er tilfældet med metal og plastimplantater. Han syntetiserede til sidst Bioglass 45S5, en særlig sammensætning af bioaktivt glas, som nu er varemærkebeskyttet af University of Florida.
En specifik kombination af natriumoxid, calciumoxid, siliciumdioxid og fosforpentoxid, bioaktivt glas bruges nu som en ortopædisk behandling for at genoprette beskadigede knogler og reparere knogledefekter. "Bioaktivt glas er et materiale, som du putter ind i kroppen, og det begynder at opløses, og som det gør, fortæller det faktisk celler og knogler at blive mere aktive og producere ny knogle," siger Julian Jones, en ekspert i materialet, fra Imperial College London, UK.
Jones forklarer, at der er to hovedårsager til, at glasset fungerer så godt. For det første, efterhånden som det opløses, danner det et overfladelag af hydroxycarbonatapatit, som ligner mineralet i knogler. Dette betyder, at det interagerer med knogler, og kroppen ser det som et indfødt, snarere end fremmed, objekt. For det andet frigiver glasset, når det opløses, ioner, der signalerer celler til at producere ny knogle.
Klinisk bruges bioaktivt glas hovedsageligt som et pulver, der formes til en kitt og derefter skubbes ind i knogledefekten, men Jones og hans kolleger har arbejdet på 3D-printede stilladslignende materialer til større strukturelle reparationer. Disse er uorganisk-organiske hybrider af bioaktivt glas og polymer, som de refererer til som bouncy Bioglass. Den 3D-printede arkitektur giver gode mekaniske egenskaber, men også en struktur, der tilskynder celler til at vokse på den rigtige måde. Faktisk har Jones fundet ud af, at ved at ændre porestørrelsen af stilladset, kan knoglemarvsstamceller tilskyndes til at vokse enten knogle eller brusk. "Vi har haft en enorm succes med hoppende Bioglass brusk," siger Jones.
Bioaktivt glas bliver også brugt til at regenerere kroniske sår, såsom dem forårsaget af diabetiske sår. Forskning har vist, at vat som glasbandager kan hele sår, såsom diabetiske fodsår, der ikke har reageret på andre behandlinger (Int. Sår J. 19 791).
Men Jones siger, at den mest almindelige brug af bioaktivt glas er i nogle følsomme tandpastaer, hvor det foranlediger den naturlige mineralisering af tænder. "Du har følsomme tænder, fordi du har tubuli, der går ind i dit nervehulrum i midten af tanden, så hvis du mineraliserer disse tubuli, er der ingen vej ind i pulpahulen," forklarer han.
Antireflekterende, selvrensende og antibakteriel
På University College London har forskere ætset nanoskalastrukturer ind i glasoverfladen for at give det flere forskellige funktioner. Lignende teknikker har været prøvet tidligere, men det har vist sig udfordrende og kompliceret at strukturere glasoverfladen med fine nok detaljer. Nanoingeniør Ioannis Papakonstantinou og hans kolleger har imidlertid for nylig udviklet en ny litografiproces, der giver dem mulighed for at detaljere glas med nanoskala-præcision (Adv. Mater. 33 2102175).
Inspireret af møl, der bruger lignende strukturer til optisk og akustisk camouflage, graverede forskerne en glasoverflade med en række sub-bølgelængde, nanoskala kegler for at reducere dens reflektionsevne. De fandt ud af, at denne strukturerede overflade reflekterede mindre end 3 % af lyset, mens et kontrolglas reflekterede omkring 7 %. Papakonstantinou forklarer, at nanokeglerne hjælper med at bygge bro mellem glasoverfladens brydningsindeks og luftens brydningsindeks ved at udjævne den normalt bratte luft-til-glas-overgang. Dette reducerer spredning og dermed mængden af lys, der reflekteres fra overfladen.
Overfladen er også superhydrofob og afviser dråber af vand og olier, så de preller af luftpuder fanget i nanostrukturerne. Når dråberne ruller af, opsamler de forurening og snavs, hvilket gør glasset selvrensende, som Papakonstantinou forklarer. Og som en sidste fordel kæmper bakterier for at overleve på glasset, hvor de skarpe kegler gennemborer deres cellemembraner. Med fokus på Staphylococcus aureus – bakterierne, der forårsager staph-infektioner – scanningelektronmikroskopi har vist, at 80 % af de bakterier, der sætter sig på overfladen, dør, sammenlignet med omkring 10 % på standardglas. Ifølge forskerne er dette den første demonstration af en antibakteriel glasoverflade.
Ikke-mekanisk styring af lys
Lys styres generelt i optiske systemer af bevægelige dele, såsom en linse, der kan manipuleres til at ændre lysets brændpunkt eller styre en stråle. Men en ny klasse af faseændringsmaterialer (PCM'er) kunne ændre egenskaberne af optiske komponenter uden nogen mekanisk indgriben.
En PCM kan skifte mellem at have en organiseret krystallinsk struktur til at være amorf og glaslignende, når en eller anden form for energi, såsom en elektrisk strøm, påføres. Sådanne materialer har længe været brugt til at lagre data på optiske diske, hvor de to faser repræsenterer de to binære tilstande. Men disse materialer er ikke rigtig blevet brugt i optik ud over sådanne applikationer, fordi en af faserne normalt er uigennemsigtig.
For nylig har forskere i USA imidlertid skabt en ny klasse af PCM'er baseret på grundstofferne germanium, antimon, selen og tellur, kendt som GSST (Naturkomm 10 4279). De opdagede, at mens både de glasagtige og krystallinske tilstande af disse materialer er gennemsigtige for infrarødt lys, har de vidt forskellige brydningsindekser. Dette kan udnyttes til at skabe rekonfigurerbar optik, der kan styre infrarødt lys.
Juejun Hu, en materialeforsker ved Massachusetts Institute of Technology, siger, at i stedet for at have en optisk enhed med én applikation, kan du programmere den til at have flere forskellige funktioner. "Du kan endda skifte fra en linse til et diffraktionsgitter eller et prisme," forklarer han.
Egenskaberne ved PCM'er udnyttes bedst, siger Hu, ved at skabe optiske metamaterialer, hvori nanoskala, sub-bølgelængde strukturer er formet på overfladen, og hver er indstillet til at interagere med lys på en bestemt måde for at skabe en ønsket effekt, såsom fokusering en lysstråle. Når en elektrisk strøm påføres materialet, ændres den måde, overfladens nanostrukturer interagerer med lyset, efterhånden som materialets tilstand og brydningsindeks skifter.
Holdet har allerede demonstreret, at det kan skabe elementer som zoomobjektiver og optiske lukkere, der hurtigt kan slukke en lysstråle. Kathleen Richardson, en ekspert i optiske materialer og fotonik ved University of Central Florida, som arbejdede med Hu om GSST-materialerne, siger, at disse materialer kunne forenkle og reducere størrelsen af sensorer og andre optiske enheder. De ville gøre det muligt at kombinere flere optiske mekanismer, reducere antallet af individuelle dele og fjerne behovet for forskellige mekaniske elementer. "Flere funktioner i samme komponent gør platformen mindre, mere kompakt og lettere," forklarer Richardson.
Udødelig glas
"Du kan bøje fysikkens love, men du kan ikke bryde dem," siger Paul Bingham, der har specialiseret sig i briller og keramik ved Sheffield Hallam University, Storbritannien. "Grundlæggende er glas et sprødt materiale, og hvis du anvender nok kraft over en lille nok del af glasset, vil det gå i stykker." Alligevel er der forskellige måder, hvorpå deres ydeevne kan forbedres.
Overvej mobiltelefoner. De fleste smartphoneskærme er lavet af kemisk hærdet glas, hvor det mest almindelige er Gorilla Glass. Udviklet af Corning i 2000'erne, kan dette stærke, ridsefaste, men tynde glas nu findes i omkring fem milliarder smartphones, tablets og andre elektroniske enheder. Men kemisk forstærket glas er ikke helt ubrydeligt. Faktisk er Binghams telefonskærm ødelagt. "Jeg tabte den en gang, og så tabte jeg den igen, og den landede på præcis det samme punkt, og det var spillet slut," siger han.
For at forbedre holdbarheden af glasskærme yderligere har Bingham arbejdet på et projekt med titlen "Manufacturing Immortality" med polymerforskere ved Northumbria University, ledet af kemiker Justin Perry, som har udviklet selvhelbredende polymerer. Hvis du skærer disse selvhelbredende polymerer i to og derefter skubber stykkerne sammen, vil de med tiden gå sammen igen. Forskerne har eksperimenteret med at påføre belægninger af sådanne materialer på glas.
Hvis du bruger nok kraft, vil disse skærme stadig gå i stykker, men hvis du tabte en og knækkede polymerlaget, kunne den selvhelbredende. Dette vil ske under omgivende forhold, stuetemperatur, selvom opvarmning af dem en smule, ved for eksempel at efterlade dem et varmt sted, kan fremskynde processen. "Det handler om at forbedre produkternes levetid, gøre dem mere bæredygtige og gøre dem mere modstandsdygtige," siger Bingham. Og det kan være nyttigt for mange produkter, der bruger glas som et beskyttende lag, ikke kun smartphones.
