Alates luude kinnitamisest kuni antibakteriaalsete pindade valmistamiseni, Michael Allen räägib teadlastega, kes toodavad klaasi, millel on täiendav funktsionaalsus ja jõudlus
Klaas on igapäevaelus kõikjal. Kuna see on väga läbipaistev, stabiilne ja vastupidav, on see oluline materjal paljude rakenduste jaoks, alates lihtsatest akendest kuni meie uusimate vidinate puuteekraanideni kuni kõrgtehnoloogiliste andurite fotooniliste komponentideni.
Kõige tavalisemad klaasid on valmistatud ränidioksiidist, lubjast ja soodast. Kuid sajandeid on klaasile lisatud täiendavaid koostisosi, et anda selliseid omadusi nagu värvus ja kuumuskindlus. Ja teadlased töötavad endiselt klaasi kallal, püüdes anda sellele täiendavat funktsionaalsust ja parandada selle toimivust konkreetsete ülesannete jaoks, luues üha kõrgtehnoloogilisemat klaasi ja seda, mida võiks nimetada "targaks" klaasiks.
Nutikaid materjale ei ole lihtne määratleda, kuid üldiselt on need loodud reageerima konkreetsel viisil välistele stiimulitele. Klaasi osas on kõige ilmsem "tark" rakendus akende jaoks - eelkõige klaasi läbiva valguse hulga reguleerimine. Nii saame tõsta iga hoone energiatõhusust: suvel soojust vähendada, külmema ilmaga aga sooja hoida.
Akna pinge
Mõne nutika klaasi värvi või läbipaistmatust saab muuta, rakendades materjalile pinget, muutes seeläbi teatud optilisi omadusi, nagu neeldumine ja peegeldusvõime, pöörduval viisil. Sellised "elektrokroomsed" nutikad aknad võivad nõudmisel kontrollida teatud valgussageduste, näiteks ultraviolett- või infrapunakiirguse läbilaskvust või isegi need täielikult blokeerida. Selle tehnoloogia rakendamine on populaarne mitte ainult hoonetes, vaid ka elektroonilistes näidikutes ja toonitud autoklaasides.
Tõepoolest, elektrokroomsed aknad on selles valdkonnas teistest tehnoloogiatest ees ja neid on juba turule viidud. Kuid hoolimata sellest, et nad töötavad hästi, on neil ilmselgeid puudusi. Need on üsna keerulised ja kallid ning nende moderniseerimine vanematele hoonetele nõuab üldjuhul uute akende, aknaraamide ja elektriühenduste paigaldamist. Need ei ole ka automaatsed – need tuleb sisse ja välja lülitada.
Mõnede nende probleemide lahendamiseks on teadlased töötanud termokroomsete akende kallal, mille vallandavad pinge asemel temperatuuri muutused. Üks suur atraktsioon on see, et need on passiivsed – pärast paigaldamist muutuvad nende omadused koos ümbritseva õhu temperatuuriga, ilma et oleks vaja inimese sekkumist. Domineeriv meetod selliste termokroomsete akende loomisel on klaasile vanaadiumdioksiidi katmine (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), kuid kasutada võib ka muid materjale, näiteks perovskiite (J. App. Energia 254 113690). Need materjalid läbivad faasisiirde, muutudes temperatuuri muutudes enam-vähem läbipaistvaks – efekti, mida saab häälestada erinevate tingimuste jaoks.
Kuigi vanaadiumdioksiid näitab nutikate akende jaoks palju lubadusi, on takistusi, mida ületada. Tugeva neeldumise tõttu tekitab vanaadiumdioksiid ebameeldiva pruunikaskollase varjundi ning keskkonnastabiilsuse nimel on vaja veel tööd teha (Adv. Manuf. 6 1). Hiljutine ülevaade viitab ka sellele, et kuigi need tehnoloogiad võivad anda märkimisväärset energiasäästu, on vaja rohkem uurida nende kasutamist ja mõju tegelikes tingimustes. Näiteks on leitud, et termokroomsete akende energiatõhusus on erinevates linnades väga erinev, kasutades sama kiletüüpi, kuid palju vähem erinev samas linnas kasutatavate erinevate kiletüüpide vahel (J. App. Energia 255 113522).
Kuid kõrgtehnoloogiline klaas ei lõpe nutikate akendega. Teadlased on leidnud, et kui nad lisavad klaasile rohkem ebatavalisi metalle, võib see aidata kaitsta päikesepaneele ja muuta need tõhusamaks (vt kasti: Fotogalvaanilise katteklaasi täiustamine). Samal ajal võib bioaktiivne klaas aidata meil luud ja muid kudesid uuesti kasvatada (vt kasti: Luude ja muude kudede kinnitamine), samas kui uued söövitusprotsessid võivad võimaldada meil lisada klaasile mitmeid funktsioone ilma pinnakatteta (vt kasti: peegeldusvastane aine , isepuhastuv ja antibakteriaalne). Ja kuigi mitte traditsioonilised optilised klaasid, võivad uued faasimuutusmaterjalid aidata luua kergemaid ja kompaktsemaid optilisi süsteeme (vt kasti: Valguse mittemehaaniline juhtimine). Lõpuks võib klaas ühel päeval isegi ise paraneda (vt kasti: Surematu klaas).
Fotogalvaanilise katteklaasi täiustamine
See võib tunduda üllatav, kuid mitte kogu päikesevalgus ei ole päikesepatareide jaoks hea. Kui fotogalvaanilised seadmed muudavad infrapuna- ja nähtava valguse elektrienergiaks, siis ultraviolettvalgus (UV) kahjustab neid. Nii nagu päikesepõletuse korral, mõjutab UV-valgus negatiivselt orgaanilistes fotogalvaanilistes elementides kasutatavaid süsinikupõhiseid polümeere. Teadlased on leidnud, et UV-kiirguse kahjustus muudab orgaanilise pooljuhtide kihi elektriliselt vastupidavamaks, vähendades voolu voolu ja raku üldist efektiivsust.
See probleem ei piirdu orgaaniliste rakkudega. UV-valgus takistab ka levinumat ränipõhist fotogalvaanilist elektrienergiat, mis koosneb erinevatest materjalidest. Ränipõhine fotoaktiivne kiht asetatakse polümeeride vahele, mis kaitsevad seda vee sissetungimise eest, ja seejärel kaetakse see seade klaaskattega, mis kaitseb seda veelgi elementide eest, lastes samal ajal päikesevalgust läbi. UV-valguse probleem seisneb selles, et see kahjustab polümeere, võimaldades vee läbitungimist ja elektroodide söövitamist.
Paul Bingham, Ühendkuningriigi Sheffield Hallami ülikooli klaasiekspert, selgitab, et päikesepaneelide tõhususe suurendamiseks on "viimastel aastakümnetel olnud peamine liikumissuund klaasi selgemaks ja selgemaks muutmine". See tähendab, et tuleb eemaldada klaasi värvivad kemikaalid, näiteks raud, mis annab rohelise tooni. Kahjuks, nagu Bingham selgitab, laseb see läbi rohkem UV-valgust, kahjustades polümeeri veelgi.
Bingham ja tema kolleegid on seetõttu läinud teises suunas – nad on klaasi keemiliselt dopinud nii, et see neelab kahjulikku UV-valgust, kuid on kasulikule infrapuna- ja nähtavale valgusele läbipaistev. Raud ei ole ikka veel ideaalne lisand, kuna see neelab mõningaid nähtavaid ja infrapunaseid lainepikkusi ning sama kehtib ka teiste esimese rea siirdemetallide, nagu kroom ja koobalt, kohta.
Selle asemel on Binghami meeskond katsetanud teise ja kolmanda rea üleminekuelemente, mida tavaliselt klaasile ei lisata, nagu nioobium, tantaal ja tsirkoonium, koos teiste metallidega, nagu vismut ja tina. Need loovad tugeva UV-neeldumise ilma nähtava värvuseta. Kui seda kasutatakse katteklaasis, pikendab see fotogalvaanika eluiga ja aitab neil säilitada suuremat efektiivsust, nii et need toodavad kauem elektrit.
Protsessil on ka teine eelis. "Me oleme avastanud, et paljud lisandid neelavad UV-footoneid, kaotavad natuke energiat ja kiirgavad need siis uuesti nähtavate footonitena, seega põhimõtteliselt fluorestsents," ütleb Bingham. Nad loovad kasulikke footoneid, mida saab muundada elektrienergiaks. Hiljutises uuringus näitasid teadlased, et sellised klaasid võivad parandada päikesemoodulite efektiivsust kuni umbes 8%, võrreldes tavalise katteklaasiga (Prog. fotogalvaanikas 10.1002/pip.3334).
Luude ja muude kudede kinnitamine
1969. aastal otsis biomeditsiiniinsener Larry Hench Florida ülikoolist materjali, mis saaks luuga siduda, ilma et inimkeha seda tagasi lükkaks. USA armee meditsiinilise uurimistöö ja disaini väejuhatuse ettepaneku kallal töötades mõistis Hench, et on vaja uudset materjali, mis suudaks moodustada elava sideme kehas olevate kudedega, ilma et seda tagasi lükataks, nagu sageli metalli puhul. ja plastikust implantaadid. Lõpuks sünteesis ta Bioglass 45S5, mis on bioaktiivse klaasi eriline koostis, mis on nüüd Florida ülikooli kaubamärgi all.
Spetsiifilist naatriumoksiidi, kaltsiumoksiidi, ränidioksiidi ja fosforpentoksiidi kombinatsiooni, bioaktiivset klaasi kasutatakse nüüd ortopeedilise ravina kahjustatud luu taastamiseks ja luudefektide parandamiseks. "Bioaktiivne klaas on materjal, mille paned kehasse ja see hakkab lahustuma ning tegelikult käsib see rakkudel ja luudel muutuda aktiivsemaks ja toota uut luud," ütleb ta. Julian Jones, materjali ekspert Ühendkuningriigi Imperial College Londonist.
Jones selgitab, et klaas töötab nii hästi kahel peamisel põhjusel. Esiteks moodustab see lahustumisel hüdroksükarbonaatapatiidi pinnakihi, mis on sarnane luu mineraaliga. See tähendab, et see suhtleb luuga ja keha näeb seda pigem kohaliku, mitte võõra objektina. Teiseks vabastab klaas lahustumisel ioone, mis annavad rakkudele signaali uue luu tootmiseks.
Kliiniliselt kasutatakse bioaktiivset klaasi peamiselt pulbrina, mis vormitakse pahtliks ja lükatakse seejärel luudefekti, kuid Jones ja ta kolleegid on tegelenud 3D-prinditud tellingulaadsete materjalidega suuremate konstruktsiooniparanduste jaoks. Need on bioaktiivse klaasi ja polümeeri anorgaanilised-orgaanilised hübriidid, mida nad nimetavad kopsakaks bioklaasiks. 3D-prinditud arhitektuur pakub häid mehaanilisi omadusi, aga ka struktuuri, mis julgustab rakke õigel viisil kasvama. Tegelikult on Jones avastanud, et karkassi pooride suurust muutes saab luuüdi tüvirakke julgustada kas luu või kõhre kasvama. "Meil on olnud kopsakate Bioklaasi kõhredega tohutult edu," ütleb Jones.
Bioaktiivset klaasi kasutatakse ka krooniliste, näiteks diabeetiliste haavandite põhjustatud haavade taastamiseks. Uuringud on näidanud, et vatt, nagu klaassidemed, võib ravida haavu, nagu diabeetilised jalahaavandid, mis ei ole reageerinud muudele ravimeetoditele.Int. Haav J. 19 791).
Kuid Jonesi sõnul kasutatakse bioaktiivset klaasi kõige sagedamini mõnes tundlikus hambapastas, kus see soodustab hammaste loomulikku mineraliseerumist. "Teil on tundlikud hambad, kuna teil on tuubulid, mis lähevad hamba keskel asuvasse närviõõnde, nii et kui te need torukesed mineraliseerite, ei pääse pulbiõõnde," selgitab ta.
Peegeldusvastane, isepuhastuv ja antibakteriaalne
Londoni ülikooli kolledžis on teadlased söövitanud nanomõõtmelisi struktuure klaasi pinnale, et anda sellele mitu erinevat funktsiooni. Sarnaseid tehnikaid on varemgi proovitud, kuid klaaspinna piisavalt peenelt struktureerimine on osutunud keeruliseks ja keeruliseks. Nanoinsener Ioannis Papakonstantinou ja tema kolleegid on aga hiljuti välja töötanud uudse litograafiaprotsessi, mis võimaldab neil klaasi nanomõõtmelise täpsusega detaileerida (Adv. Mater. 33 2102175).
Inspireerituna ööliblikatest, kes kasutavad sarnaseid struktuure optilise ja akustilise kamuflaaži jaoks, graveerisid teadlased klaaspinnale hulga alamlainepikkusega nanomõõtmelisi koonuseid, et vähendada selle peegeldust. Nad leidsid, et see struktureeritud pind peegeldas vähem kui 3% valgusest, samas kui kontrollklaas peegeldas umbes 7%. Papakonstantinou selgitab, et nanokoonused aitavad silda klaaspinna murdumisnäitaja ja õhu murdumisnäitaja vahelisi muutusi, siludes tavaliselt järsku õhk-klaasi üleminekut. See vähendab hajumist ja seega ka pinnalt peegelduva valguse hulka.
Pind on ka superhüdrofoobne, tõrjudes vee- ja õlipiiskusid, nii et need põrkavad tagasi nanostruktuuridesse kinni jäänud õhupatjadelt. Nagu Papakonstantinou selgitab, võtavad tilgad maha saaste ja mustuse, muutes klaasi isepuhastuvaks. Ja viimase eelisena on bakteritel raske klaasi peal ellu jääda, teravad koonused läbistavad nende rakumembraane. Keskenduma Staphylococcus aureus – stafülokokkinfektsioone põhjustavad bakterid – skaneeriv elektronmikroskoopia on näidanud, et 80% pinnale settinud bakteritest sureb, võrreldes umbes 10%-ga standardklaasil. Teadlaste sõnul on see esimene antibakteriaalse klaaspinna demonstratsioon.
Valguse mittemehaaniline juhtimine
Optilistes süsteemides juhitakse valgust üldiselt liikuvate osade abil, näiteks läätsed, mida saab kasutada valguse fookuspunkti muutmiseks või kiirte juhtimiseks. Kuid uus faasimuutusmaterjalide (PCM) klass võib muuta optiliste komponentide omadusi ilma mehaanilise sekkumiseta.
PCM võib lülituda organiseeritud kristalse struktuuri vahel amorfseks ja klaasitaoliseks, kui rakendatakse mõnda energiavormi, näiteks elektrivoolu. Selliseid materjale on pikka aega kasutatud andmete salvestamiseks optilistel ketastel, kusjuures kaks faasi esindavad kahte kahendolekut. Kuid neid materjale pole optikas tegelikult kasutatud peale selliste rakenduste, kuna üks faas on tavaliselt läbipaistmatu.
Hiljuti on USA teadlased aga loonud uue PCM-ide klassi, mis põhinevad germaaniumil, antimonil, seleenil ja telluuril, mida nimetatakse GSST-ks.Looduskommid 10 4279). Nad avastasid, et kuigi nende materjalide klaasjas ja kristalne olek on infrapunavalgusele läbipaistev, on neil väga erinevad murdumisnäitajad. Seda saab kasutada ümberkonfigureeritava optika loomiseks, mis suudab juhtida infrapunavalgust.
Juejun Hu, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi materjaliteadlane, ütleb, et ühe rakendusega optilise seadme asemel saate selle programmeerida mitme erineva funktsiooniga. "Võite isegi lülituda objektiivilt difraktsioonvõre või prisma vastu, " selgitab ta.
Hu sõnul saab PCM-ide omadusi kõige paremini ära kasutada, luues optilisi metamaterjale, mille pinnale kujundatakse nanomõõtmetes alamlainepikkusega struktuurid ja igaüks on häälestatud valgusega suhtlema konkreetsel viisil, et luua soovitud efekt, näiteks teravustamine. valgusvihk. Kui materjalile rakendatakse elektrivoolu, muutub pinna nanostruktuuride koosmõju valgusega, kui materjali olek ja murdumisnäitaja muutuvad.
Meeskond on juba näidanud, et suudab luua selliseid elemente nagu suumobjektiivid ja optilised aknaluugid, mis suudavad valgusvihu kiiresti välja lülitada. Kathleen RichardsonKesk-Florida ülikooli optiliste materjalide ja fotoonika ekspert, kes töötas koos Hu-ga GSST materjalide kallal, ütleb, et need materjalid võivad andurite ja muude optiliste seadmete suurust lihtsustada ja vähendada. Need võimaldaksid kombineerida mitut optilist mehhanismi, vähendades üksikute osade arvu ja kaotades vajaduse erinevate mehaaniliste elementide järele. "Mitu funktsiooni ühes ja samas komponendis muudavad platvormi väiksemaks, kompaktsemaks ja kergemaks," selgitab Richardson.
Surematu klaas
"Füüsikaseadusi saate rikkuda, kuid te ei saa neid rikkuda," ütleb Paul Bingham, kes on spetsialiseerunud Ühendkuningriigi Sheffield Hallami ülikooli prillidele ja keraamikale. "Põhimõtteliselt on klaas habras materjal ja kui rakendate piisavalt jõudu piisavalt väikesele klaasiosale, siis see puruneb." Siiski on nende jõudluse parandamiseks erinevaid viise.
Mõelge mobiiltelefonidele. Enamik nutitelefonide ekraane on valmistatud keemiliselt karastatud klaasist, kõige tavalisem neist Gorilla Klaas. Seda tugevat, kriimustuskindlat, kuid õhukest klaasi, mille Corning arendas 2000. aastatel, leidub nüüd umbes viies miljardis nutitelefonis, tahvelarvutis ja muus elektroonikaseadmes. Kuid keemiliselt tugevdatud klaas ei ole täiesti purunematu. Tegelikult on Binghami telefoni ekraan katki. "Ma kukutasin selle üks kord maha ja siis jälle kukkusin ning see maandus täpselt samasse kohta ja sellega oli mäng läbi," ütleb ta.
Klaasekraanide vastupidavuse edasiseks parandamiseks on Bingham koos Northumbria ülikooli polümeerideadlastega, mida juhib keemik, töötanud projekti pealkirjaga "Imortality tootmine" Justin Perry, kes on välja töötanud iseparanevad polümeerid. Kui lõikate need iseparanevad polümeerid pooleks ja seejärel surute tükid kokku, liituvad need aja jooksul uuesti kokku. Teadlased on katsetanud selliste materjalide katete kandmist klaasile.
Kui rakendate piisavalt jõudu, lähevad need ekraanid endiselt katki, kuid kui kukutate ühe maha ja purustate polümeerikihi, võib see ise paraneda. See juhtub ümbritseva keskkonna, toatemperatuuri tingimustes, kuigi nende veidi kuumutamine, näiteks sooja kohta jätmine, võib protsessi kiirendada. "See puudutab toodete eluea pikendamist, nende jätkusuutlikumaks muutmist ja vastupidavamaks muutmist, " ütleb Bingham. Ja see võib olla kasulik paljude toodete puhul, mis kasutavad kaitsekihina klaasi, mitte ainult nutitelefonides.
