پنجره ای بدیع به شیشه «هوشمند».

بهبود شیشه پوشش فتوولتائیک

ممکن است تعجب آور به نظر برسد، اما همه نور خورشید برای سلول های خورشیدی خوب نیست. در حالی که واحدهای فتوولتائیک نور مادون قرمز و مرئی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، نور ماوراء بنفش (UV) به آنها آسیب می رساند. درست مانند یک مورد آفتاب سوختگی، نور UV بر پلیمرهای مبتنی بر کربن مورد استفاده در سلول‌های فتوولتائیک آلی تأثیر منفی می‌گذارد. محققان دریافته‌اند که آسیب‌های ناشی از اشعه ماوراء بنفش، لایه نیمه‌رسانای آلی را از نظر الکتریکی مقاوم‌تر می‌کند و جریان جریان و کارایی کلی سلول را کاهش می‌دهد.

این موضوع به سلول های آلی محدود نمی شود. نور ماوراء بنفش همچنین فتوولتائیک متداول مبتنی بر سیلیکون را که از مجموعه ای از مواد مختلف تشکیل شده است، مختل می کند. لایه فوتواکتیو مبتنی بر سیلیکون بین پلیمرهایی قرار می‌گیرد که از ورود آب محافظت می‌کند و سپس روی این واحد یک پوشش شیشه‌ای پوشانده می‌شود که در عین حال از آن در برابر عناصر محافظت می‌کند و در عین حال اجازه عبور نور خورشید را می‌دهد. مشکل اشعه ماوراء بنفش این است که به پلیمرها آسیب می رساند و به آب اجازه نفوذ و خوردگی الکترودها را می دهد.

پل بینگهامیک متخصص شیشه در دانشگاه شفیلد هالام بریتانیا، توضیح می‌دهد که برای بهبود کارایی پنل‌های خورشیدی، «جهت اصلی سفر در چند دهه گذشته شفاف‌تر و شفاف‌تر کردن شیشه بوده است». این به معنای حذف مواد شیمیایی رنگ‌دهنده شیشه است، مانند آهن که رنگ سبز ایجاد می‌کند. متأسفانه، همانطور که بینگهام توضیح می دهد، این اجازه می دهد تا نور UV بیشتری از آن عبور کند و به پلیمر آسیب بیشتری وارد کند.

بنابراین بینگهام و همکارانش به سمت دیگری رفته اند - آنها از نظر شیمیایی شیشه دوپینگ کرده اند به طوری که نور مضر UV را جذب می کند اما در برابر نور مفید مادون قرمز و مرئی شفاف است. آهن هنوز یک افزودنی ایده آل نیست، زیرا برخی از طول موج های مرئی و مادون قرمز را جذب می کند و همین امر در مورد سایر فلزات واسطه ردیف اول مانند کروم و کبالت نیز صادق است.

در عوض، تیم بینگهام با عناصر انتقالی ردیف دوم و سوم که معمولاً به شیشه اضافه نمی‌شوند، مانند نیوبیم، تانتالم و زیرکونیوم، همراه با فلزات دیگری مانند بیسموت و قلع، آزمایش کرده‌اند. اینها جذب قوی اشعه ماوراء بنفش را بدون هیچ گونه رنگ قابل مشاهده ای ایجاد می کنند. هنگامی که در شیشه پوشش استفاده می شود، این باعث افزایش طول عمر فتوولتائیک ها می شود و به آنها کمک می کند تا راندمان بالاتری داشته باشند، بنابراین برای مدت طولانی تری برق بیشتری تولید می کنند.

این فرآیند یک مزیت دیگر نیز دارد. بینگهام می‌گوید: «آنچه ما دریافتیم این است که بسیاری از ناخالصی‌ها فوتون‌های UV را جذب می‌کنند، مقداری انرژی از دست می‌دهند و سپس آنها را دوباره به صورت فوتون‌های مرئی ساطع می‌کنند، بنابراین اساساً فلورسانس می‌شوند. آنها فوتون های مفیدی ایجاد می کنند که می توانند به انرژی الکتریکی تبدیل شوند. در یک مطالعه اخیر، محققان نشان دادند که چنین شیشه‌هایی می‌توانند کارایی ماژول‌های خورشیدی را تا حدود 8 درصد در مقایسه با شیشه‌های روکش استاندارد بهبود بخشند.Prog. در فتوولتائیک 10.1002/pip.3334).

تثبیت استخوان ها و سایر بافت ها

در سال 1969، مهندس زیست پزشکی لری هنچ، از دانشگاه فلوریدا، به دنبال ماده ای بود که بتواند بدون رد شدن توسط بدن انسان با استخوان پیوند بخورد. هنچ در حین کار بر روی یک پیشنهاد برای فرماندهی تحقیقات و طراحی پزشکی ارتش ایالات متحده متوجه شد که نیاز به ماده جدیدی وجود دارد که بتواند پیوندی زنده با بافت های بدن ایجاد کند، در حالی که رد نمی شود، همانطور که اغلب در مورد فلز اتفاق می افتد. و ایمپلنت های پلاستیکی او سرانجام Bioglass 45S5 را سنتز کرد، یک ترکیب خاص از شیشه فعال زیستی که اکنون توسط دانشگاه فلوریدا علامت تجاری دارد.

ترکیب خاصی از اکسید سدیم، اکسید کلسیم، دی اکسید سیلیکون و پنتوکسید فسفر، شیشه زیست فعال در حال حاضر به عنوان یک درمان ارتوپدی برای ترمیم استخوان آسیب دیده و ترمیم نقایص استخوانی استفاده می شود. شیشه زیست فعال ماده ای است که شما وارد بدن می کنید و شروع به حل شدن می کند و در واقع به سلول ها و استخوان ها می گوید که فعال تر شوند و استخوان جدید تولید کنند. جولیان جونز، یک متخصص در مواد، از امپریال کالج لندن، بریتانیا.

جونز توضیح می دهد که دو دلیل اصلی وجود دارد که شیشه بسیار خوب کار می کند. ابتدا، با حل شدن، یک لایه سطحی از آپاتیت هیدروکسی کربنات تشکیل می دهد که شبیه به ماده معدنی موجود در استخوان است. این بدان معنی است که با استخوان تعامل می کند و بدن آن را به عنوان یک جسم بومی و نه خارجی می بیند. دوم، با حل شدن، شیشه یون هایی آزاد می کند که به سلول ها سیگنال می دهد تا استخوان جدید تولید کنند.

از نظر بالینی، شیشه زیست فعال عمدتاً به عنوان پودری استفاده می‌شود که به صورت بتونه در می‌آید و سپس به نقص استخوان فشار می‌آورد، اما جونز و همکارانش روی مواد داربست‌مانند چاپ سه‌بعدی برای تعمیرات ساختاری بزرگ‌تر کار کرده‌اند. اینها هیبریدهای معدنی-آلی شیشه و پلیمر زیست فعال هستند که به آنها Bioglass فنری می گویند. معماری پرینت سه بعدی خواص مکانیکی خوبی را ارائه می دهد، اما ساختاری را نیز فراهم می کند که سلول ها را به رشد صحیح تشویق می کند. در واقع، جونز دریافته است که با تغییر اندازه منافذ داربست، می توان سلول های بنیادی مغز استخوان را به رشد استخوان یا غضروف تشویق کرد. جونز می‌گوید: «ما با غضروف فنری Bioglass موفقیت زیادی کسب کرده‌ایم.

شیشه زیست فعال همچنین برای بازسازی زخم های مزمن مانند زخم های ناشی از زخم دیابت استفاده می شود. تحقیقات نشان داده است که پشم پنبه مانند پانسمان های شیشه می تواند زخم هایی مانند زخم پای دیابتی را که به درمان های دیگر پاسخ نداده اند، التیام بخشد.بین المللی زخم ج. 19 791).

اما جونز می‌گوید رایج‌ترین استفاده از شیشه‌های زیست فعال در برخی خمیردندان‌های حساس است که باعث می‌شود معدنی شدن طبیعی دندان‌ها انجام شود. او توضیح می‌دهد: «شما دندان‌های حساسی دارید زیرا لوله‌هایی دارید که به داخل حفره عصبی شما در مرکز دندان می‌روند، بنابراین اگر آن لوله‌ها را معدنی کنید، راهی برای ورود به حفره پالپ وجود ندارد».

ضد انعکاس، خود تمیز شونده و آنتی باکتریال

در دانشگاه کالج لندن، محققان ساختارهای نانومقیاس را در سطح شیشه حکاکی کرده اند تا عملکردهای مختلف متعددی به آن بدهند. تکنیک‌های مشابهی در گذشته آزمایش شده‌اند، اما ساختاردهی سطح شیشه با جزئیات کافی چالش‌برانگیز و پیچیده است. مهندس نانو یوانیس پاپاکونستانتینو با این حال، و همکارانش اخیراً یک فرآیند لیتوگرافی جدید را توسعه داده اند که به آنها امکان می دهد جزئیات شیشه را با دقت نانومقیاس کنند.مشاوره ماتر 33 2102175).

محققان با الهام از پروانه‌هایی که از ساختارهای مشابه برای استتار نوری و صوتی استفاده می‌کنند، یک سطح شیشه‌ای را با مجموعه‌ای از مخروط‌های زیرموج در مقیاس نانو حکاکی کردند تا بازتابش آن را کاهش دهند. آنها دریافتند که این سطح ساختار یافته کمتر از 3 درصد نور را منعکس می کند، در حالی که شیشه کنترل حدود 7 درصد را منعکس می کند. پاپاکنستانتینو توضیح می‌دهد که نانومخروط‌ها به پل زدن بین ضریب شکست سطح شیشه و هوا کمک می‌کنند و با صاف کردن انتقال معمولاً ناگهانی هوا به شیشه کمک می‌کنند. این امر باعث کاهش پراکندگی و در نتیجه میزان نوری که از سطح منعکس می شود را کاهش می دهد.

این سطح همچنین فوق آبگریز است و قطرات آب و روغن را دفع می کند به طوری که آنها از بالشتک های هوای محبوس شده در نانوساختارها خارج می شوند. همانطور که پاپاکونستانتینو توضیح می دهد، همانطور که قطرات می ریزند، آلودگی ها و کثیفی ها را جمع می کنند و باعث می شود شیشه خود تمیز شود. و به عنوان یک مزیت نهایی، باکتری ها برای زنده ماندن روی شیشه، با مخروط های تیز که غشای سلولی آنها را سوراخ می کنند، مبارزه می کنند. تمرکز بر استافیلوکوکوس اورئوس - باکتری هایی که باعث عفونت استاف می شوند - میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده است که 80 درصد باکتری هایی که روی سطح می نشینند می میرند، در حالی که این میزان در شیشه استاندارد حدود 10 درصد است. به گفته محققان، این اولین نمایش سطح شیشه ای ضد باکتری است.

کنترل غیر مکانیکی نور

نور به طور کلی در سیستم های نوری توسط قطعات متحرک کنترل می شود، مانند عدسی که می تواند برای تغییر نقطه کانونی نور یا هدایت یک پرتو دستکاری شود. اما دسته جدیدی از مواد تغییر فاز (PCM) می توانند خواص اجزای نوری را بدون هیچ گونه مداخله مکانیکی تغییر دهند.

هنگامی که نوعی انرژی مانند جریان الکتریکی اعمال می شود، یک PCM می تواند بین داشتن ساختار کریستالی سازمان یافته به آمورف و شیشه مانند بودن تغییر کند. چنین موادی مدت‌هاست که برای ذخیره داده‌ها بر روی دیسک‌های نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد که دو فاز آن دو حالت دوتایی را نشان می‌دهند. اما این مواد واقعاً فراتر از چنین کاربردهایی در اپتیک استفاده نشده اند، زیرا یکی از فازها معمولاً مات است.

با این حال، اخیراً محققان در ایالات متحده کلاس جدیدی از PCM ها را بر اساس عناصر ژرمانیوم، آنتیموان، سلنیوم و تلوریم ایجاد کرده اند که به GSST معروف است.Nature Comms 10 4279). آنها کشف کردند که در حالی که هر دو حالت شیشه ای و کریستالی این مواد در برابر نور مادون قرمز شفاف هستند، ضریب شکست بسیار متفاوتی دارند. این می تواند برای ایجاد اپتیک های قابل تنظیم مجدد که می تواند نور مادون قرمز را کنترل کند مورد سوء استفاده قرار گیرد.

جوجون هویک دانشمند مواد در موسسه فناوری ماساچوست می گوید که به جای داشتن یک دستگاه نوری با یک برنامه، می توانید آن را طوری برنامه ریزی کنید که چندین عملکرد متفاوت داشته باشد. او توضیح می دهد: «شما حتی می توانید از یک لنز به یک شبکه پراش یا یک منشور تغییر دهید.

هو می‌گوید از خواص PCM با ایجاد فرامواد نوری استفاده می‌شود، که در آن ساختارهای زیرموجی در مقیاس نانو بر روی سطح شکل می‌گیرند و هر کدام به گونه‌ای تنظیم می‌شوند تا با نور به روشی خاص برای ایجاد یک اثر دلخواه، مانند فوکوس، تعامل داشته باشند. یک پرتو نور هنگامی که جریان الکتریکی به ماده اعمال می شود، نحوه تعامل نانوساختارهای سطح با نور با تغییر حالت ماده و ضریب شکست تغییر می کند.

این تیم قبلاً نشان داده است که می تواند عناصری مانند لنزهای زوم و شاترهای نوری ایجاد کند که می توانند به سرعت یک پرتو نور را خاموش کنند. کاتلین ریچاردسونیک متخصص مواد نوری و فوتونیک در دانشگاه فلوریدا مرکزی که با هو روی مواد GSST کار کرده است، می‌گوید که این مواد می‌توانند اندازه حسگرها و سایر دستگاه‌های نوری را ساده و کاهش دهند. آنها می توانند چندین مکانیسم نوری را با هم ترکیب کنند و تعداد قطعات جداگانه را کاهش دهند و نیاز به عناصر مکانیکی مختلف را از بین ببرند. ریچاردسون توضیح می دهد: "کارکردهای متعدد در یک جزء باعث کوچکتر، فشرده تر و وزن سبک تر پلت فرم می شود."

شیشه جاودانه

پل بینگهام، متخصص شیشه و سرامیک در دانشگاه شفیلد هالام بریتانیا، می گوید: "شما می توانید قوانین فیزیک را خم کنید، اما نمی توانید آنها را بشکنید." اساساً، شیشه ماده‌ای شکننده است و اگر نیروی کافی را روی قسمت کوچکی از شیشه اعمال کنید، می‌شکند.» با این حال، راه های مختلفی وجود دارد که عملکرد آنها را می توان بهبود بخشید.

تلفن های همراه را در نظر بگیرید. اکثر صفحه نمایش های گوشی های هوشمند از شیشه های شیمیایی مقاوم ساخته شده اند که رایج ترین آن ها است گوریل شیشه ای. این شیشه قوی و مقاوم در برابر خش و در عین حال نازک که توسط کورنینگ در دهه 2000 ساخته شد، اکنون در حدود پنج میلیارد گوشی هوشمند، تبلت و سایر دستگاه های الکترونیکی یافت می شود. اما شیشه های تقویت شده شیمیایی کاملاً نشکن نیستند. در واقع صفحه گوشی بینگهام شکسته است. او می‌گوید: «یک بار آن را رها کردم و دوباره آن را انداختم و دقیقاً در همان نقطه فرود آمد و بازی تمام شد.

برای بهبود بیشتر دوام صفحه‌های شیشه‌ای، بینگهام روی پروژه‌ای با عنوان «تولید جاودانگی» با دانشمندان پلیمر دانشگاه نورث‌آمبریا به رهبری شیمیدان کار کرده است. جاستین پری، که پلیمرهای خود ترمیم شونده را ساخته اند. اگر این پلیمرهای خود ترمیم شونده را از وسط نصف کنید و سپس قطعات را به هم فشار دهید، به مرور زمان دوباره به هم می پیوندند. محققان روی استفاده از پوشش هایی از چنین موادی روی شیشه آزمایش کرده اند.

اگر نیروی کافی اعمال کنید، این صفحه‌ها همچنان می‌شکنند، اما اگر یکی را رها کنید و لایه پلیمری را ترک کنید، می‌تواند خود ترمیم شود. این امر در شرایط محیطی و دمای اتاق اتفاق می‌افتد، اگرچه کمی گرم کردن آن‌ها، مثلاً با گذاشتن آن‌ها در مکانی گرم، می‌تواند روند را تسریع کند. بینگهام می‌گوید: «این در مورد بهبود طول عمر محصولات، پایدارتر کردن و انعطاف‌پذیرتر کردن آنهاست. و می تواند برای بسیاری از محصولاتی که از شیشه به عنوان لایه محافظ استفاده می کنند، نه فقط گوشی های هوشمند، مفید باشد.