Von der Befestigung von Knochen bis zur Herstellung antibakterieller Oberflächen, Michael Allen spricht mit den Forschern, die Glas mit zusätzlicher Funktionalität und Leistung herstellen
Glas ist im Alltag allgegenwärtig. Da es hochtransparent, stabil und langlebig ist, ist es ein wichtiges Material für eine Vielzahl von Anwendungen, von einfachen Fenstern über Touchscreens auf unseren neuesten Geräten bis hin zu photonischen Komponenten für Hightech-Sensoren.
Die gebräuchlichsten Gläser werden aus Kieselsäure, Kalk und Soda hergestellt. Aber seit Jahrhunderten werden dem Glas zusätzliche Inhaltsstoffe zugesetzt, um ihm Eigenschaften wie Farbe und Hitzebeständigkeit zu verleihen. Und Forscher arbeiten immer noch an Glas, um ihm weitere Funktionen zu verleihen und seine Leistung für bestimmte Aufgaben zu verbessern, wodurch zunehmend Hightech-Glas und sogenanntes „intelligentes“ Glas entsteht.
Intelligente Materialien sind nicht einfach zu definieren, aber im Großen und Ganzen sind sie so konzipiert, dass sie auf spezifische Weise auf äußere Reize reagieren. In Bezug auf Glas ist die offensichtlichste „intelligente“ Anwendung für Fenster – insbesondere die Steuerung der Lichtmenge, die durch das Glas fällt. Auf diese Weise können wir die Energieeffizienz jedes Gebäudes steigern: die Hitze im Sommer reduzieren und es bei kälterem Wetter warm halten.
Fensterspannung
Die Farbe oder Opazität einiger intelligenter Gläser kann durch Anlegen einer Spannung an das Material geändert werden, wodurch bestimmte optische Eigenschaften – wie Absorption und Reflexion – reversibel verändert werden. Solche „elektrochromen“ intelligenten Fenster können bei Bedarf die Durchlässigkeit bestimmter Lichtfrequenzen wie Ultraviolett oder Infrarot steuern oder sogar ganz blockieren. Die Anwendung dieser Technologie ist nicht nur in Gebäuden beliebt, sondern auch in elektronischen Displays und getönten Autoscheiben.
Tatsächlich sind elektrochrome Fenster anderen Technologien auf diesem Gebiet voraus und wurden bereits kommerzialisiert. Aber obwohl sie gut funktionieren, haben sie einige offensichtliche Nachteile. Sie sind ziemlich komplex und teuer, und die Nachrüstung älterer Gebäude erfordert im Allgemeinen die Installation neuer Fenster, Fensterrahmen und elektrischer Anschlüsse. Sie sind auch nicht automatisch – Sie müssen sie ein- und ausschalten.
Um einige dieser Probleme anzugehen, haben Forscher an thermochromen Fenstern gearbeitet, die durch Temperaturänderungen anstelle von Spannungsänderungen ausgelöst werden. Ein großer Vorteil ist, dass sie passiv sind – einmal installiert, ändern sich ihre Eigenschaften mit der Umgebungstemperatur, ohne dass menschliches Eingreifen erforderlich ist. Die vorherrschende Methode zur Herstellung solcher thermochromer Fenster ist das Auftragen einer Beschichtung aus Vanadiumdioxid auf Glas (joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), aber auch andere Materialien wie Perowskite können verwendet werden (J. App. Energie 254 113690). Diese Materialien durchlaufen einen Phasenübergang und werden bei Temperaturänderungen mehr oder weniger transparent, ein Effekt, der auf verschiedene Bedingungen abgestimmt werden kann.
Während Vanadiumdioxid für intelligente Fenster viel versprechend ist, gibt es Hindernisse zu überwinden. Aufgrund seiner starken Absorption erzeugt Vanadiumdioxid einen unangenehmen bräunlich-gelben Farbton, und es sind weitere Arbeiten zur Umweltstabilität erforderlich (Erw. Hersteller 6 1). Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung legt auch nahe, dass diese Technologien zwar erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen könnten, jedoch mehr Forschung zu ihrer Verwendung und ihren Auswirkungen in realen Umgebungen erforderlich ist. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die Energieeffizienz von thermochromen Fenstern zwischen verschiedenen Städten, in denen derselbe Folientyp verwendet wird, stark variiert, aber weit weniger zwischen verschiedenen Folientypen, die in derselben Stadt verwendet werden (J. App. Energie 255 113522).
Aber Hightech-Glas endet nicht mit intelligenten Fenstern. Forscher haben herausgefunden, dass das Hinzufügen von ungewöhnlicheren Metallen zu Glas dazu beitragen kann, Solarmodule zu schützen und sie effizienter zu machen (siehe Kasten: Verbesserung von Photovoltaik-Deckglas). Bioaktives Glas kann uns dabei helfen, Knochen und anderes Gewebe nachwachsen zu lassen (siehe Kasten: Knochen und anderes Gewebe fixieren), während neue Ätzverfahren es uns ermöglichen könnten, Glas mit mehreren Funktionen zu versehen, ohne dass Oberflächenbeschichtungen erforderlich sind (siehe Kasten: Antireflex , selbstreinigend und antibakteriell). Und obwohl es sich nicht um herkömmliche optische Gläser handelt, könnten neue Phasenwechselmaterialien dazu beitragen, leichtere und kompaktere optische Systeme zu schaffen (siehe Kasten: Nicht-mechanische Lichtsteuerung). Schließlich könnte sich Glas eines Tages sogar selbst heilen (siehe Kasten: Unsterbliches Glas).
Verbesserung von Photovoltaik-Deckglas
Es mag überraschen, aber nicht alles Sonnenlicht ist gut für Solarzellen. Während Photovoltaikanlagen infrarotes und sichtbares Licht in elektrische Energie umwandeln, schädigt ultraviolettes (UV) Licht diese. Genau wie ein Sonnenbrand wirkt sich UV-Licht negativ auf die kohlenstoffbasierten Polymere aus, die in organischen Photovoltaikzellen verwendet werden. Forscher haben herausgefunden, dass die Schädigung durch UV-Licht die organische Halbleiterschicht elektrisch widerstandsfähiger macht, wodurch der Stromfluss und die Gesamteffizienz der Zelle verringert werden.
Dieses Problem ist nicht auf organische Zellen beschränkt. UV-Licht behindert auch die gebräuchlichere Photovoltaik auf Siliziumbasis, die aus einem Stapel verschiedener Materialien besteht. Die photoaktive Schicht auf Siliziumbasis ist zwischen Polymeren eingebettet, die sie vor dem Eindringen von Wasser schützen, und diese Einheit wird dann mit einer Glasabdeckung überzogen, die sie weiter vor Witterungseinflüssen schützt und gleichzeitig Sonnenlicht durchlässt. Das Problem mit UV-Licht besteht darin, dass es die Polymere beschädigt, Wasser eindringen und die Elektroden korrodieren lässt.
Paul Binham, ein Experte für Glas an der Sheffield Hallam University, UK, erklärt, dass zur Verbesserung der Effizienz von Solarmodulen „die vorrangige Richtung in den letzten Jahrzehnten darin bestand, das Glas klarer und klarer zu machen“. Das bedeutet, Chemikalien zu entfernen, die das Glas färben, wie Eisen, das eine grüne Tönung erzeugt. Leider lässt dies, wie Bingham erklärt, mehr UV-Licht durch und schädigt das Polymer weiter.
Bingham und seine Kollegen sind daher in die andere Richtung gegangen – sie haben Glas chemisch so dotiert, dass es schädliches UV-Licht absorbiert, aber für das nützliche infrarote und sichtbare Licht durchlässig ist. Eisen ist immer noch kein ideales Additiv, da es einige sichtbare und infrarote Wellenlängen absorbiert, und dasselbe gilt für andere Übergangsmetalle der ersten Reihe wie Chrom und Kobalt.
Stattdessen experimentierte Binghams Team mit Übergangselementen der zweiten und dritten Reihe, die normalerweise nicht zu Glas hinzugefügt würden, wie Niob, Tantal und Zirkonium, zusammen mit anderen Metallen wie Wismut und Zinn. Diese erzeugen eine starke UV-Absorption ohne sichtbare Färbung. Im Deckglas verwendet, verlängert dies die Lebensdauer der Photovoltaik und verhilft ihr zu einem höheren Wirkungsgrad, sodass sie länger mehr Strom erzeugt.
Das Verfahren hat noch einen weiteren Vorteil. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass viele der Dotierstoffe UV-Photonen absorbieren, etwas Energie verlieren und sie dann als sichtbare Photonen wieder emittieren, also im Grunde Fluoreszenz“, sagt Bingham. Sie erzeugen nützliche Photonen, die in elektrische Energie umgewandelt werden können. In einer aktuellen Studie zeigten die Forscher, dass solche Gläser den Wirkungsgrad von Solarmodulen im Vergleich zu Standard-Deckgläsern um bis zu etwa 8 % verbessern können (Prog. in der Photovoltaik 10.1002/pip.3334).
Fixierung von Knochen und anderem Gewebe
1969 suchte der biomedizinische Ingenieur Larry Hench von der University of Florida nach einem Material, das sich mit Knochen verbinden kann, ohne vom menschlichen Körper abgestoßen zu werden. Während der Arbeit an einem Vorschlag für das Medical Research and Design Command der US-Armee erkannte Hench, dass ein neuartiges Material benötigt wurde, das eine lebendige Verbindung mit dem Gewebe im Körper eingehen konnte, ohne jedoch abgelehnt zu werden, wie es oft bei Metall der Fall ist und Kunststoffimplantate. Er synthetisierte schließlich Bioglass 45S5, eine besondere Zusammensetzung von bioaktivem Glas, das jetzt von der University of Florida geschützt ist.
Bioaktives Glas, eine spezielle Kombination aus Natriumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid und Phosphorpentoxid, wird heute als orthopädische Behandlung zur Wiederherstellung beschädigter Knochen und zur Reparatur von Knochendefekten verwendet. „Bioaktives Glas ist ein Material, das Sie in den Körper einbringen und das sich aufzulösen beginnt, und während es dies tut, weist es Zellen und Knochen tatsächlich an, aktiver zu werden und neuen Knochen zu produzieren“, sagt er Julian Jones, ein Experte für das Material, vom Imperial College London, UK.
Jones erklärt, dass es zwei Hauptgründe gibt, warum das Glas so gut funktioniert. Erstens bildet es beim Auflösen eine Oberflächenschicht aus Hydroxycarbonat-Apatit, das dem Mineral im Knochen ähnlich ist. Dies bedeutet, dass es mit dem Knochen interagiert und der Körper es als ein einheimisches und nicht als ein fremdes Objekt betrachtet. Zweitens setzt das Glas beim Auflösen Ionen frei, die den Zellen signalisieren, neuen Knochen zu produzieren.
Klinisch wird bioaktives Glas hauptsächlich als Pulver verwendet, das zu einem Kitt geformt und dann in den Knochendefekt geschoben wird, aber Jones und seine Kollegen haben an 3D-gedruckten gerüstähnlichen Materialien für größere strukturelle Reparaturen gearbeitet. Dies sind anorganisch-organische Hybride aus bioaktivem Glas und Polymer, die sie als federndes Bioglas bezeichnen. Die 3D-gedruckte Architektur bietet gute mechanische Eigenschaften, aber auch eine Struktur, die das richtige Wachstum der Zellen fördert. Tatsächlich hat Jones herausgefunden, dass Knochenmark-Stammzellen durch Veränderung der Porengröße des Gerüsts dazu angeregt werden können, entweder Knochen oder Knorpel zu wachsen. „Wir haben mit dem federnden Bioglas-Knorpel große Erfolge erzielt“, sagt Jones.
Bioaktives Glas wird auch zur Regeneration chronischer Wunden verwendet, wie sie beispielsweise durch diabetische Geschwüre verursacht werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass watteähnliche Glasverbände Wunden wie diabetische Fußgeschwüre heilen können, die auf andere Behandlungen nicht angesprochen haben (Int. Wunde J. 19 791).
Laut Jones wird bioaktives Glas jedoch am häufigsten in einigen empfindlichen Zahnpasten verwendet, wo es die natürliche Mineralisierung der Zähne fördert. "Sie haben empfindliche Zähne, weil Sie Tubuli haben, die in Ihre Nervenhöhle in der Mitte des Zahns führen. Wenn Sie also diese Tubuli mineralisieren, gibt es keinen Weg in die Pulpahöhle", erklärt er.
Entspiegelt, selbstreinigend und antibakteriell
Am University College London haben Forscher nanoskalige Strukturen in die Glasoberfläche geätzt, um ihr mehrere verschiedene Funktionen zu verleihen. Ähnliche Techniken wurden in der Vergangenheit ausprobiert, aber es hat sich als herausfordernd und kompliziert erwiesen, die Glasoberfläche mit ausreichend feinen Details zu strukturieren. Nanoingenieur Ioannis Papakonstantinou und seine Kollegen haben jedoch kürzlich ein neuartiges Lithographieverfahren entwickelt, mit dem sie Glas mit nanoskaliger Präzision detaillieren können (Erw. Mater. 33 2102175).
Inspiriert von Motten, die ähnliche Strukturen zur optischen und akustischen Tarnung verwenden, gravierten die Forscher eine Glasoberfläche mit einer Reihe von Kegeln im Subwellenlängenbereich im Nanomaßstab, um das Reflexionsvermögen zu verringern. Sie fanden heraus, dass diese strukturierte Oberfläche weniger als 3 % des Lichts reflektierte, während ein Kontrollglas etwa 7 % reflektierte. Papakonstantinou erklärt, dass die Nanokegel helfen, Änderungen zwischen dem Brechungsindex der Glasoberfläche und dem von Luft zu überbrücken, indem sie den normalerweise abrupten Übergang von Luft zu Glas glätten. Dies reduziert die Streuung und damit die Lichtmenge, die von der Oberfläche reflektiert wird.
Die Oberfläche ist außerdem superhydrophob und stößt Wasser- und Öltröpfchen ab, sodass sie von Luftpolstern abprallen, die in den Nanostrukturen eingeschlossen sind. Wenn die Tropfen abperlen, nehmen sie Verunreinigungen und Schmutz auf und machen das Glas selbstreinigend, wie Papakonstantinou erklärt. Und als letzter Vorteil kämpfen Bakterien ums Überleben auf dem Glas, da die scharfen Kegel ihre Zellmembranen durchbohren. Konzentrieren auf Staphylococcus aureus – die Bakterien, die Staphylokokkeninfektionen verursachen – Rasterelektronenmikroskopie hat gezeigt, dass 80 % der Bakterien, die sich auf der Oberfläche ansiedeln, sterben, verglichen mit etwa 10 % auf Standardglas. Laut den Forschern ist dies die erste Demonstration einer antibakteriellen Glasoberfläche.
Nicht-mechanische Lichtsteuerung
Licht wird in optischen Systemen im Allgemeinen durch bewegliche Teile gesteuert, wie z. B. eine Linse, die manipuliert werden kann, um den Brennpunkt des Lichts zu ändern oder einen Strahl zu lenken. Aber eine neue Klasse von Phasenwechselmaterialien (PCMs) könnte die Eigenschaften optischer Komponenten ohne mechanischen Eingriff verändern.
Ein PCM kann zwischen einer organisierten kristallinen Struktur und einer amorphen und glasähnlichen Struktur wechseln, wenn irgendeine Form von Energie, wie z. B. elektrischer Strom, angelegt wird. Solche Materialien werden seit langem verwendet, um Daten auf optischen Platten zu speichern, wobei die zwei Phasen die zwei binären Zustände darstellen. Aber diese Materialien wurden in der Optik über solche Anwendungen hinaus nicht wirklich verwendet, da eine der Phasen normalerweise undurchsichtig ist.
Kürzlich haben Forscher in den USA jedoch eine neue Klasse von PCMs geschaffen, die auf den Elementen Germanium, Antimon, Selen und Tellur basiert, bekannt als GSST (Naturkommunikation 10 4279). Sie entdeckten, dass diese Materialien zwar sowohl im glasigen als auch im kristallinen Zustand für Infrarotlicht durchlässig sind, aber sehr unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Dies kann ausgenutzt werden, um rekonfigurierbare Optiken zu schaffen, die Infrarotlicht steuern können.
Juejun Hu, ein Materialwissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, sagt, dass man ein optisches Gerät nicht nur mit einer Anwendung, sondern mit mehreren verschiedenen Funktionen programmieren kann. „Man könnte sogar von einer Linse zu einem Beugungsgitter oder einem Prisma wechseln“, erklärt er.
Die Eigenschaften von PCMs werden laut Hu am besten genutzt, indem optische Metamaterialien geschaffen werden, bei denen nanoskalige Subwellenlängenstrukturen auf der Oberfläche geformt und jeweils so abgestimmt sind, dass sie auf eine bestimmte Weise mit Licht interagieren, um einen gewünschten Effekt wie Fokussierung zu erzeugen ein Lichtstrahl. Wenn ein elektrischer Strom an das Material angelegt wird, ändert sich die Art und Weise, wie die Oberflächen-Nanostrukturen mit dem Licht interagieren, wenn sich der Zustand und der Brechungsindex des Materials ändern.
Das Team hat bereits gezeigt, dass es Elemente wie Zoomobjektive und optische Verschlüsse herstellen kann, die einen Lichtstrahl schnell ausschalten können. Kathleen Richardson, ein Experte für optische Materialien und Photonik an der University of Central Florida, der mit Hu an den GSST-Materialien arbeitete, sagt, dass diese Materialien Sensoren und andere optische Geräte vereinfachen und verkleinern könnten. Sie würden es ermöglichen, mehrere optische Mechanismen zu kombinieren, die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren und verschiedene mechanische Elemente überflüssig zu machen. „Mehrere Funktionen in derselben Komponente machen die Plattform kleiner, kompakter und leichter“, erklärt Richardson.
Unsterbliches Glas
„Man kann die Gesetze der Physik beugen, aber nicht brechen“, sagt Paul Bingham, der an der Sheffield Hallam University, Großbritannien, auf Gläser und Keramik spezialisiert ist. „Grundsätzlich ist Glas ein sprödes Material, und wenn Sie genug Kraft auf einen ausreichend kleinen Teil des Glases ausüben, wird es brechen.“ Dennoch gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie ihre Leistung verbessert werden kann.
Denken Sie an Mobiltelefone. Die meisten Smartphone-Bildschirme bestehen aus chemisch gehärtetem Glas, wobei das am häufigsten verwendet wird Gorilla Glass. Dieses starke, kratzfeste und dennoch dünne Glas wurde in den 2000er Jahren von Corning entwickelt und ist heute in rund fünf Milliarden Smartphones, Tablets und anderen elektronischen Geräten zu finden. Aber chemisch gehärtetes Glas ist nicht völlig unzerbrechlich. Tatsächlich ist Binghams Telefonbildschirm kaputt. „Ich habe es einmal fallen lassen und dann wieder fallen lassen und es ist genau an der gleichen Stelle gelandet, und das Spiel war vorbei“, sagt er.
Um die Haltbarkeit von Glasschirmen weiter zu verbessern, hat Bingham mit Polymerwissenschaftlern der Northumbria University unter der Leitung eines Chemikers an einem Projekt mit dem Titel „Manufacturing Immortality“ gearbeitet Justin Perry, die selbstheilende Polymere entwickelt haben. Wenn Sie diese selbstheilenden Polymere halbieren und dann die Teile zusammenschieben, werden sie sich mit der Zeit wieder zusammenfügen. Die Forscher haben damit experimentiert, Beschichtungen aus solchen Materialien auf Glas aufzubringen.
Wenn Sie genug Kraft anwenden, werden diese Bildschirme immer noch brechen, aber wenn Sie einen fallen lassen und die Polymerschicht reißen, könnte er sich selbst heilen. Dies geschieht unter Umgebungsbedingungen bei Raumtemperatur, obwohl ein leichtes Erhitzen, indem Sie sie beispielsweise an einem warmen Ort lassen, den Vorgang beschleunigen könnte. „Es geht darum, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern, sie nachhaltiger und widerstandsfähiger zu machen“, sagt Bingham. Und es könnte für viele Produkte nützlich sein, die Glas als Schutzschicht verwenden, nicht nur für Smartphones.
