Luiden kiinnittämisestä antibakteeristen pintojen valmistukseen, Michael Allen keskustelee tutkijoiden kanssa, jotka tekevät lasia, jolla on lisätoimintoja ja suorituskykyä
Lasi on läsnä jokapäiväisessä elämässä. Koska se on erittäin läpinäkyvä, vakaa ja kestävä, se on tärkeä materiaali lukemattomissa sovelluksissa yksinkertaisista ikkunoista uusimpien laitteiden kosketusnäyttöihin ja huipputeknisten antureiden fotonikomponentteihin.
Yleisimmät lasit valmistetaan piidioksidista, kalkista ja soodasta. Mutta vuosisatojen ajan lasiin on lisätty muita ainesosia antamaan ominaisuuksia, kuten väriä ja lämmönkestävyyttä. Ja tutkijat työskentelevät edelleen lasin parissa, pyrkien antamaan sille lisää toimintoja ja parantamaan sen suorituskykyä tietyissä tehtävissä luoden yhä hi-tech-lasia ja niin sanottua "älykäs" lasia.
Älykkäitä materiaaleja ei ole helppo määritellä, mutta yleisesti ottaen ne on suunniteltu reagoimaan tietyllä tavalla ulkoisiin ärsykkeisiin. Lasin kannalta ilmeisin "älykkäin" sovellus on ikkunoihin – erityisesti lasin läpi kulkevan valon määrän säätelyyn. Näin voimme parantaa minkä tahansa rakennuksen energiatehokkuutta: vähentää lämpöä kesällä ja pitää sen lämpimänä kylmemmällä säällä.
Ikkunan jännite
Joidenkin älylasin väriä tai opasiteettia voidaan muuttaa kohdistamalla materiaaliin jännite, jolloin tiettyjä optisia ominaisuuksia – kuten absorptiota ja heijastavuutta – voidaan muuttaa palautuvalla tavalla. Tällaiset "sähkökromiset" älyikkunat voivat tarvittaessa ohjata tiettyjen valotaajuuksien, kuten ultravioletti- tai infrapunasäteilyn, läpäisyä tai jopa estää ne kokonaan. Tämän tekniikan soveltaminen on suosittua paitsi rakennuksissa, myös elektronisissa näytöissä ja tummennetuissa auton ikkunoissa.
Sähkökromaattiset ikkunat ovatkin edellä muita tekniikoita tällä alalla, ja ne on jo kaupallistettu. Mutta vaikka ne toimivat hyvin, niillä on joitain ilmeisiä haittoja. Ne ovat melko monimutkaisia ja kalliita, ja niiden jälkiasennus vanhoihin rakennuksiin vaatii yleensä uusien ikkunoiden, ikkunoiden ja sähköliitäntöjen asentamista. Ne eivät myöskään ole automaattisia - sinun on kytkettävä ne päälle ja pois.
Käsitelläkseen joitain näistä ongelmista tutkijat ovat työskennelleet termokromaattisten ikkunoiden parissa, jotka laukaisevat lämpötilan muutokset jännitteen sijaan. Yksi suuri vetovoima on, että ne ovat passiivisia – kun ne on asennettu, niiden ominaisuudet muuttuvat ympäristön lämpötilan mukaan ilman ihmisen panosta. Hallitseva menetelmä tällaisten termokromaattisten ikkunoiden luomiseksi on vanadiinidioksidipinnoitteen levittäminen lasiin (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), mutta myös muita materiaaleja, kuten perovskiitteja, voidaan käyttää (J. App. Energiaa 254 113690). Nämä materiaalit käyvät läpi faasisiirtymän, muuttuen enemmän tai vähemmän läpinäkyviksi lämpötilan muuttuessa, mikä on säädettävissä erilaisiin olosuhteisiin.
Vaikka vanadiinidioksidi lupaa paljon älykkäiden ikkunoiden suhteen, on esteitä, jotka on voitettava. Voimakkaan absorptionsa ansiosta vanadiinidioksidi tuottaa epämiellyttävän ruskehtavan keltaisen sävyn, ja ympäristön vakauden parantamiseksi tarvitaan lisätyötä (Adv. Manuf. 6 1). Äskettäinen katsaus viittaa myös siihen, että vaikka nämä tekniikat voivat tarjota merkittäviä energiansäästöjä, tarvitaan lisää tutkimusta niiden käytöstä ja vaikutuksista tosielämässä. Esimerkiksi termokromaattisten ikkunoiden energiatehokkuuden on havaittu vaihtelevan paljon samaa kalvotyyppiä käyttävien kaupunkien välillä, mutta paljon vähemmän eri kalvotyyppien välillä, joita käytetään samassa kaupungissa (J. App. Energiaa 255 113522).
Mutta huipputekninen lasi ei lopu älykkäisiin ikkunoihin. Tutkijat ovat havainneet, että jos he lisäävät enemmän epätavallisia metalleja lasiin, se voi auttaa suojaamaan aurinkopaneeleja ja tekemään niistä tehokkaampia (katso laatikko: Aurinkosähköisen kansilasin parantaminen). Bioaktiivinen lasi puolestaan voi auttaa meitä kasvattamaan uudelleen luuta ja muita kudoksia (katso laatikko: Luiden ja muiden kudosten kiinnittäminen), kun taas uudet etsausprosessit voisivat antaa meille mahdollisuuden lisätä lasiin useita toimintoja ilman pintapinnoitteita (katso laatikko: Heijastamaton , itsepuhdistuva ja antibakteerinen). Ja vaikka uudet vaiheenmuutosmateriaalit eivät ole perinteisiä optisia laseja, ne voisivat auttaa luomaan kevyempiä ja kompaktimpia optisia järjestelmiä (katso laatikko: Valon ei-mekaaninen ohjaus). Lopuksi lasi saattaa joskus jopa parantaa itsensä (katso laatikko: Kuolematon lasi).
Aurinkosähköisen suojalasin parantaminen
Se saattaa tuntua yllättävältä, mutta kaikki auringonvalo ei ole hyväksi aurinkokennoille. Vaikka aurinkosähköyksiköt muuttavat infrapuna- ja näkyvän valon sähköenergiaksi, ultraviolettivalo (UV) vahingoittaa niitä. Aivan kuten auringonpolttama, UV-valo vaikuttaa negatiivisesti orgaanisissa aurinkokennoissa käytettyihin hiilipohjaisiin polymeereihin. Tutkijat ovat havainneet, että UV-valon aiheuttamat vauriot tekevät orgaanisen puolijohdekerroksen sähköä kestävämmäksi, mikä vähentää virran virtausta ja kennon yleistä tehokkuutta.
Tämä ongelma ei rajoitu orgaanisiin soluihin. UV-valo haittaa myös yleisempää piipohjaista aurinkosähköä, joka koostuu pinosta erilaisia materiaaleja. Piipohjainen fotoaktiivinen kerros on kerrostettu polymeerien väliin, jotka suojaavat sitä vedeltä pääsyltä, ja tämän yksikön päällä on sitten lasikansi, joka suojaa sitä entisestään elementeiltä ja päästää auringonvalon läpi. UV-valon ongelmana on, että se vahingoittaa polymeerejä, jolloin vesi pääsee tunkeutumaan ja syövyttämään elektrodeja.
Paul Bingham, lasin asiantuntija Sheffield Hallam -yliopistossa, Iso-Britanniassa, selittää, että aurinkopaneelien tehokkuuden parantamiseksi "pääasiallinen kulkusuunta viime vuosikymmeninä on ollut tehdä lasista kirkkaampi ja kirkkaampi". Tämä tarkoittaa lasia värjäävien kemikaalien, kuten raudan, poistamista, mikä antaa vihreän sävyn. Valitettavasti, kuten Bingham selittää, tämä päästää enemmän UV-valoa läpi ja vahingoittaa polymeeriä entisestään.
Bingham ja hänen kollegansa ovat siksi menneet toiseen suuntaan – he ovat kemiallisesti dopingoineet lasia siten, että se imee haitallista UV-valoa, mutta on läpinäkyvä hyödylliselle infrapuna- ja näkyvälle valolle. Rauta ei ole vieläkään ihanteellinen lisäaine, koska se absorboi joitain näkyviä ja infrapuna-aallonpituuksia, ja sama pätee muihin ensimmäisen rivin siirtymämetalleihin, kuten kromiin ja kobolttiin.
Sen sijaan Binghamin tiimi on kokeillut toisen ja kolmannen rivin siirtymäelementtejä, joita ei normaalisti lisätä lasiin, kuten niobiumia, tantaalia ja zirkoniumia, sekä muita metalleja, kuten vismuttia ja tinaa. Nämä luovat voimakkaan UV-absorption ilman näkyvää väriä. Peitelasissa käytettynä tämä pidentää aurinkosähkön käyttöikää ja auttaa säilyttämään korkeamman hyötysuhteen, jolloin ne tuottavat enemmän sähköä pidempään.
Prosessilla on myös toinen etu. "Olemme havainneet, että monet seostusaineista absorboivat UV-fotoneja, menettävät vähän energiaa ja lähettävät ne sitten uudelleen näkyvinä fotoneina, joten periaatteessa fluoresenssi", Bingham sanoo. Ne luovat hyödyllisiä fotoneja, jotka voidaan muuntaa sähköenergiaksi. Tuoreessa tutkimuksessa tutkijat osoittivat, että tällaiset lasit voivat parantaa aurinkomoduulien tehokkuutta jopa noin 8 % verrattuna tavalliseen suojalasiin (Prog. aurinkosähkössä 10.1002/pip.3334).
Luiden ja muiden kudosten kiinnitys
Vuonna 1969 biolääketieteen insinööri Larry Hench Floridan yliopistosta etsi materiaalia, joka voisi sitoutua luuhun ilman, että ihmiskeho hylkää sitä. Työskennellessään ehdotuksen parissa Yhdysvaltain armeijan lääketieteellisen tutkimuksen ja suunnittelun johtokunnalle Hench tajusi, että oli olemassa tarve uudelle materiaalille, joka voisi muodostaa elävän sidoksen kehon kudosten kanssa, vaikka sitä ei hylätty, kuten usein tapahtuu metallin kanssa. ja muoviset implantit. Lopulta hän syntetisoi Bioglass 45S5:n, erityisen bioaktiivisen lasin koostumuksen, joka on nyt Floridan yliopiston tavaramerkki.
Erityistä natriumoksidin, kalsiumoksidin, piidioksidin ja fosforipentoksidin yhdistelmää, bioaktiivista lasia käytetään nykyään ortopedisena hoitona vaurioituneen luun palauttamiseksi ja luuvaurioiden korjaamiseksi. "Bioaktiivinen lasi on materiaalia, jonka laitat kehoon ja se alkaa liueta ja käskee soluja ja luuta aktivoitumaan ja tuottamaan uutta luuta", sanoo Julian Jones, materiaalin asiantuntija Imperial College Londonista, Iso-Britanniasta.
Jones selittää, että lasi toimii niin hyvin kahdesta syystä. Ensinnäkin, kun se liukenee, se muodostaa pintakerroksen hydroksikarbonaattiapatiittia, joka on samanlainen kuin luun mineraali. Tämä tarkoittaa, että se on vuorovaikutuksessa luun kanssa ja keho näkee sen alkuperäisenä, ei vieraana esineenä. Toiseksi, kun se liukenee, lasi vapauttaa ioneja, jotka viestivät soluista tuottamaan uutta luuta.
Kliinisesti bioaktiivista lasia käytetään pääasiassa jauheena, joka muotoillaan kitiksi ja työnnetään sitten luuvaurioon, mutta Jones ja hänen kollegansa ovat työstäneet 3D-tulostettuja telinemäisiä materiaaleja suurempia rakenteellisia korjauksia varten. Nämä ovat bioaktiivisen lasin ja polymeerin epäorgaanisen-orgaanisen hybridejä, joita he kutsuvat pomppivaksi biolasiksi. 3D-tulostettu arkkitehtuuri tarjoaa hyvät mekaaniset ominaisuudet, mutta myös rakenteen, joka kannustaa soluja kasvamaan oikealla tavalla. Itse asiassa Jones on havainnut, että muuttamalla telineen huokoskokoa luuytimen kantasoluja voidaan rohkaista kasvattamaan joko luuta tai rustoa. "Meillä on ollut valtava menestys pomppivan Bioglass-ruston kanssa", Jones sanoo.
Bioaktiivista lasia käytetään myös kroonisten, kuten diabeettisten haavaumien aiheuttamien haavojen uudistamiseen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että vanu, kuten lasisidokset, voi parantaa haavoja, kuten diabeettisia jalkahaavoja, jotka eivät ole reagoineet muihin hoitoihin (Int. Haava J. 19 791).
Mutta Jones sanoo, että yleisin bioaktiivisen lasin käyttö on joissakin herkissä hammastahnoissa, joissa se saa aikaan hampaiden luonnollista mineralisaatiota. "Sinulla on herkät hampaat, koska sinulla on tubuluksia, jotka menevät hermoonteloosi hampaan keskellä, joten jos mineralisoi ne tubulukset, ei ole tietä pulpan onteloon", hän selittää.
Heijastamaton, itsepuhdistuva ja antibakteerinen
University College Londonissa tutkijat ovat syövyttäneet nanomittakaavan rakenteita lasin pintaan antaakseen sille useita eri tehtäviä. Vastaavia tekniikoita on kokeiltu aiemminkin, mutta lasipinnan rakentaminen riittävän yksityiskohtaisesti on osoittautunut haastavaksi ja monimutkaiseksi. Nanoinsinööri Ioannis Papakonstantinou ja hänen kollegansa ovat kuitenkin äskettäin kehittäneet uuden litografiaprosessin, jonka avulla he voivat yksityiskohtia lasin nanomittakaavan tarkkuudella (Adv. Mater. 33 2102175).
Optiseen ja akustiseen naamiointiin samanlaisia rakenteita käyttävien yökoiden innoittamana tutkijat kaiversivat lasipintaan joukon aliaallonpituisia, nanomittakaavan kartioita sen heijastavuuden vähentämiseksi. He havaitsivat, että tämä strukturoitu pinta heijasti alle 3 % valosta, kun taas kontrollilasi heijasti noin 7 %. Papakonstantinou selittää, että nanokartiot auttavat silloittamaan muutoksia lasipinnan ja ilman taitekertoimen välillä tasoittamalla tavallisesti äkillistä ilmasta lasiin siirtymistä. Tämä vähentää sirontaa ja siten pinnalta heijastuvan valon määrää.
Pinta on myös superhydrofobinen ja hylkii vesi- ja öljypisaroita niin, että ne pomppaavat pois nanorakenteisiin jääneistä ilmatyynyistä. Kun pisarat vierivät pois, ne keräävät epäpuhtauksia ja likaa, mikä tekee lasista itsepuhdistuvan, kuten Papakonstantinou selittää. Viimeisenä hyödynä bakteerit kamppailevat selviytyäkseen lasilla, ja terävät kartiot lävistävät heidän solukalvonsa. Keskittymässä Staphylococcus aureus – staph-infektioita aiheuttavat bakteerit – Pyyhkäisyelektronimikroskooppi on osoittanut, että 80 % pinnalle asettuvista bakteereista kuolee verrattuna noin 10 %:iin tavallisessa lasissa. Tutkijoiden mukaan tämä on ensimmäinen osoitus antibakteerisesta lasipinnasta.
Ei-mekaaninen valon ohjaus
Optisissa järjestelmissä valoa ohjataan yleensä liikkuvilla osilla, kuten linssillä, joita voidaan manipuloida valon polttopisteen muuttamiseksi tai säteen ohjaamiseksi. Mutta uusi vaihemuutosmateriaalien luokka (PCM) voisi muuttaa optisten komponenttien ominaisuuksia ilman mekaanista puuttumista.
PCM voi vaihtaa järjestäytyneen kiderakenteen välillä amorfiseksi ja lasimaiseksi, kun käytetään jonkinlaista energiaa, kuten sähkövirtaa. Tällaisia materiaaleja on pitkään käytetty tietojen tallentamiseen optisille levyille, jolloin kaksi vaihetta edustavat kahta binääritilaa. Mutta näitä materiaaleja ei ole oikeastaan käytetty optiikassa tällaisten sovellusten lisäksi, koska yksi vaiheista on normaalisti läpinäkymätön.
Äskettäin yhdysvaltalaiset tutkijat ovat kuitenkin luoneet uuden PCM-luokan, joka perustuu alkuaineisiin germanium, antimoni, seleeni ja telluuri, joka tunnetaan nimellä GSST.Nature Comms 10 4279). He havaitsivat, että vaikka näiden materiaalien lasimainen ja kiteinen tila ovat läpinäkyviä infrapunavalolle, niillä on hyvin erilaiset taitekertoimet. Tätä voidaan hyödyntää luodakseen uudelleenkonfiguroitavaa optiikkaa, joka voi ohjata infrapunavaloa.
Juejun Hu, materiaalitutkija Massachusetts Institute of Technologysta, sanoo, että sen sijaan, että sinulla olisi optinen laite yhdellä sovelluksella, voit ohjelmoida siihen useita eri toimintoja. "Voit jopa vaihtaa linssistä diffraktiohilaan tai prismaan", hän selittää.
PCM:n ominaisuuksia hyödynnetään parhaiten, Hu sanoo luomalla optisia metamateriaaleja, joiden pinnalle muotoillaan nanomittakaavan aallonpituisia rakenteita ja jokainen on viritetty vuorovaikuttamaan valon kanssa tietyllä tavalla halutun vaikutuksen aikaansaamiseksi, kuten tarkentaminen. valonsäteen. Kun materiaaliin kohdistetaan sähkövirtaa, pinnan nanorakenteiden vuorovaikutus valon kanssa muuttuu materiaalin tilan ja taitekertoimen vaihtuessa.
Tiimi on jo osoittanut, että se voi luoda elementtejä, kuten zoom-linssejä ja optisia sulkimia, jotka voivat nopeasti sammuttaa valonsäteen. Kathleen RichardsonKeski-Floridan yliopiston optisten materiaalien ja fotoniikan asiantuntija, joka työskenteli Hun kanssa GSST-materiaalien parissa, sanoo, että nämä materiaalit voisivat yksinkertaistaa ja pienentää antureiden ja muiden optisten laitteiden kokoa. Ne mahdollistaisivat useiden optisten mekanismien yhdistämisen, mikä vähentäisi yksittäisten osien määrää ja poistaisi erilaisten mekaanisten elementtien tarpeen. "Useita toimintoja samassa komponentissa tekevät alustasta pienemmän, kompaktimman ja kevyemmän", Richardson selittää.
Kuolematon lasi
"Voit muuttaa fysiikan lakeja, mutta et voi rikkoa niitä", sanoo Paul Bingham, joka on erikoistunut lasiin ja keramiikkaan Sheffield Hallam -yliopistossa Iso-Britanniassa. "Periaatteessa lasi on hauras materiaali ja jos kohdistat tarpeeksi voimaa riittävän pieneen lasiosaan, se rikkoutuu." Silti on olemassa useita tapoja parantaa niiden suorituskykyä.
Harkitse matkapuhelimia. Useimmat älypuhelimien näytöt on valmistettu kemiallisesti karkaistusta lasista, yleisin niistä Gorilla Glass. Corningin 2000-luvulla kehittämä tämä vahva, naarmuuntumaton mutta ohut lasi löytyy nyt noin viidestä miljardista älypuhelimesta, tabletista ja muusta elektronisesta laitteesta. Mutta kemiallisesti vahvistettu lasi ei ole täysin särkymätön. Itse asiassa Binghamin puhelimen näyttö on rikki. "Pudotin sen kerran ja sitten pudotin sen uudelleen ja se laskeutui täsmälleen samaan kohtaan ja peli oli ohi", hän sanoo.
Parantaakseen lasinäyttöjen kestävyyttä entisestään Bingham on työskennellyt "Manufacturing Immortality" -projektissa Northumbrian yliopiston polymeeritutkijoiden kanssa kemistin johtamana. Justin Perry, jotka ovat kehittäneet itsekorjautuvia polymeerejä. Jos leikkaat nämä itsestään paranevat polymeerit puoliksi ja työnnät sitten palat yhteen, ne liittyvät aikanaan takaisin yhteen. Tutkijat ovat kokeilleet tällaisten materiaalien pinnoitteiden levittämistä lasille.
Jos käytät tarpeeksi voimaa, nämä seulat menevät edelleen rikki, mutta jos pudotat sellaisen ja halkaiset polymeerikerroksen, se voi parantua itsestään. Tämä tapahtuu ympäristön, huoneenlämpöisissä olosuhteissa, vaikka niiden hieman lämmittäminen, esimerkiksi jättämällä ne jonnekin lämpimään, voi nopeuttaa prosessia. "Kyse on tuotteiden eliniän pidentämisestä, kestävämmästä ja kestävämmästä", Bingham sanoo. Ja se voi olla hyödyllinen monille tuotteille, jotka käyttävät lasia suojakerroksena, ei vain älypuhelimissa.
